硬度试验基础

硬度试验适用于大多数材料,特别是金属材料。它是一个有价值的、公开的和常用的机械测试过程,已被以各种形式使用了超过250多年。作为一个材料属性,其价值和重要性不能被低估;从硬度试验中获得的信息可用于提供关键的材料性能信息以及对耐用性、强度、灵活性以及各种部件从原料到制备的试样和成品的能力。硬度测试在众多行业中有着广泛应用,在结构、航空航天、汽车、质量控制、故障分析等多种形式的制造业中有着特殊意义。
 

什么是压痕硬度测试?

最基本和最常用的定义是测试材料的永恒不变的塑性变形抗性。通过将具有指定的几何形状和性能的压头加载至材料一定时间,测量形成的压痕或印记的透入深度或尺寸。洛式测试方法由于能快速生成结果,因此成为最常用的方法,一般用于金属和合金测量。其生成的值基于凹痕深度或未恢复的凹痕。
 

良好实践的重要性

要想获得精确可靠的洛氏硬度测试结果,重要的是保证操作人员和他们使用的操作方法遵循恰当的测试技巧和实践。洛氏硬度测试的精确特点和准确度要求必须遵守严格的硬度协议和操作标准。常规的洛氏硬度测试点的测量单位仅为 0.002 mm(约 0.00008英寸),因此这种精确的测量值需要采用一种高精度的测量系统和控制过程。未能妥善准备和进行罗克韦尔硬度测试可能会导致测试数据欠佳或读数错误,可能导致生产和交付不合格的产品。这可能严重影响和破坏采用它们的设备或组件的性能和完整性。
 

洛氏硬度测试技术——测试标尺

  • 材料类型
  • 试样厚度
  • 面积/宽度
  • 测试位置
  • 材料均匀性
  • 标尺限制

 

材料类型

遵守正确的操作规范和适用标准相对比较简单,并且能确保提供真实准确的测试结果。最重要的是,在罗克韦尔测试过程中,要为要测试的组件确定适当的硬度级。洛氏硬度测试有30种不同的硬度标尺,其中洛氏硬度HRC能满足大部分应用的要求,洛氏硬度HRB适用于测试大部分钢、黄铜和其他金属。随着普通钢和黄铜以外的材料广泛使用,对测试薄材和钢板的需求不断增长,必须认真考虑如何选择正确的硬度标尺,以确保按需要进行准确的洛氏硬度测试。不仅要在常规硬度测试和表面硬度测试之间选择,并为每种测试采用三种不同的总试验力,还要在金刚石压头和直径1/16、1/8、1/4 和 1/2英寸的钢球压头之间选择。工料规范通常建立在材料设计阶段,操作人员可以按照成文的比例要求进行操作。如果没有规范,或对于预定的等级是否适用有疑问,应对以下控制等级选择的因素进行分析:
 

材料厚度

在缺少专业的硬度计的情况下,应识别材料类型并将其与罗列了适用于给定材料的典型类型硬度计的表格进行对比。这通常需要依据历史数据和实证检验信息。一般说来,建议使用材料可以承受的最大试验力,因为更大的压痕将提供最大的完整性以及受到材料表面情况的影响最小。通常,金刚石压头适用于硬化钢和其他极硬材料,球类压头适用于黄铜、铜合金、铝材。虽然在选择标尺时需要了解材料成分,但在确定正确的测试法和技术时,还要考虑其他几种非常重要的材料参数。
 

支持

参数选择上,最重要的是材料厚度。由于30洛氏标尺以总测试力和压头类型而著称,因此,对于材料厚度而言过重的负载或力值最终会受支撑砧座的影响。物料流如此中断将导致读数错误,实际材料硬度被严重误释。ASTM分别以表格和图形形式提供了硬度标尺厚度要求。建议在根据材料厚度确定合适的等级时,将这些作为参考指南。切割的一般规则(虽然只是近似值)是:当使用金刚石压头时,材料尺寸应最少是压痕深度的10倍;当使用球型压头时,材料尺寸应至少是压痕深度的15倍。如果必要,可以计算所有压痕的实际深度,以确认满足这一要求,但通常没有必要,因为参考表和图表提供了足够信息供您做决定。通常,材料下面不应该有变形。
 

垂直性

在洛氏硬度测试中,试样支架同样非常重要,因为该方法涉及深度测量。任何试样运动被传输到压头和测量系统,从而可以在测试时发现错误。鉴于测试的精密特点(记住常规标尺上的洛氏硬度点的测量单位是0.002 mm或0.00008英寸),仅移动 0.001英寸就能导致测量误差超过10个洛氏硬度点。应选择支承砧座以匹配试样的外形,并提供全面和不受影响的支撑,而且砧座必须够硬以防止在使用时出现变形。所有砧座必须符合特点标准的要求;《ASTM E18》提供了的使用指南,其中包括砧座的硬度建议。固定试样的支撑轴肩和支承面必须平行,而且砧座必须确保试样与压头垂直。必须保证支撑面和支撑肩上没有裂纹、划痕和灰尘,并保证有充分的设计以正确支撑测试中的材料。应定期检查铁砧,通常是在每次使用之前检查。如果发现已不能使用,应及时更换。损坏的、有刻痕的或脏的压头会造成大量的位移和重复性问题,影响读出硬度。提供各种标准的以及定制的夹具适合不同的试样几何结构。一些常用的砧座包括能支撑平整表面的平面或平砧座、支撑圆柱形工件的V型砧座和用于固定大直径试样的圆柱形砧座。另一个常用的铁砧用于底座。该铁砧具有凸起的平点,用于检查小、薄和不规则形状的试块以及用来测试没有真正平底的材料。因为试样和铁砧之间的接触是必不可少的,该小凸起点可以最小化压痕效果。这可使用非平整试样降低接触面积来实现。非平整测试样应把曲面朝下置于砧座上,确保测试时与砧座的稳固接触。为支持薄板材型产品,建议使用金刚石砧,这个砧包括稍微凸起的、平的抛光金刚石表面,可放置试件,并防止使用标准砧可能会造成的损坏和影响。该砧座仅用于15 T或30 T 洛氏标尺。不要同时使用金刚石压头和带金刚石凸点的砧座,因为这样会同时损坏压头和砧座。在测试薄壁管的外径表面时,建议使用鹅颈式砧座。其通常绕在测试仪的导螺杆或支架上,顶部有芯轴,将要测试的零件放置在芯轴上,以防止材料在测试过程中顺其移动。可以使用大直径测试台或“T”槽式测试台放置较大的零件,“T”槽式测试台可以将试件固定在测试台上。由于“T”槽台的尺寸和重量 ,只能用罗克韦尔®测试仪驱动硬度计压头下降到附于检测仪基座的固定“T”槽台,而非通过导螺杆驱动将零件置入金刚石。另一个有用的夹具是Vari-Rest,可以水平延长来支撑细长的试件。
 

压痕间距

将压头压入试样表面的一个基本要求是,试样表面应该垂直于压头的运行方向,而且在测试过程中,试样不能移动或滑动。一项研究表明,洛氏硬度标尺上显示的试样表面和压头的轴线之间的一个倾角会导致5%的硬度误差。倾斜角不得超过 2 度以确保正确测试。压头与试样的垂直度受许多因素的影响,包括材料的相对表面、支承砧座和硬度计的机械组件。此外,压头和压头夹在保持垂直中起着至关重要的作用。
 

圆柱形测试和修正因素

在试样测试或样块验证过程,必须保持压痕之间的间距以及压痕到材料边缘的间距,以防相邻的压痕或边缘影响下一个测试。容许的标准是,任何压痕的中心距至少应为压痕直径的3倍。至于到材料边缘的距离,任何压痕的中心到试样边缘的距离至少应为压痕直径的2.5倍。这些距离的目的是确保产生的压痕不会受到之前压痕周围的加工硬化和材料流动的影响。另外,边缘距离要求保证压痕接触面允许有恰当的支撑。
 

表面抛光

在一个圆柱形表面上测试硬度时,结果通常比在平整的表面上测试硬度时更低。这种情况是由试样弯曲导致的,它取决于施加的试验力、材料硬度、压痕的尺寸和形状以及试样的直径。如果测试仅为控制,所有其他因素都相同,(试样直径、等级和压头),信息已足够为比较数据和随后的测试设置基准。然而,在大多数情况下, 最好将修圆的材料的硬度与片状颗粒的硬度值进行比较,得出必要的修正因子。在圆柱形件中,侧向支撑的减少将导致压头进一步穿透到材料,从而降低硬度读数。如果材料的直径大于25毫米(1英寸),表面结构更适合进行测试,不需要校正。直径低的材料需要将修正因子加入测试结果。大多数数字罗克韦尔测试仪可满足圆柱直径的使用要求,将修正因子自动加入结果。在手动千分表测试仪中,必须参照ASTM校正表,确定正确的修正因子,据此进行调整。两种方案可选,包括: 与凸面不同, 由于朝向压头的曲率, 凹面将提供更高的材料支撑; 由于形成浅压痕, 可实现明显的材料硬度增加。在这种情况下,必须减去修正因子。应注意的是,所有的更正结果都是近似的,不要期望其满足精确的规范要求。此外,在进行圆柱硬度测试时,保证压头与半径准确对其是至关重要。
 

其他要考虑的重要因素

作为良好的实践,测试的材料应保持清洁、光滑。试样表面的粗糙度能影响硬度结果,它取决于使用的洛氏硬度标尺。通常,常规标尺适用于磨光面,以确保取得准确的测试结果。然而,由于施加的力更轻,表面要求影响更大,表面需要更光滑,这一点更重要。对于最低硬度试验力,推荐使用15Kgf级 、抛光或研磨表面。测试之前应该对材料表面进行仔细加工,以避免加工硬化的可能性。
 
    在进行洛氏硬度测试时,也应将许多基本但是重要的因素考虑在内。
  • 材料、支撑砧、压头和任何接触面的清洁度,以及设备的整体状态是至关重要的因素。
  • 此外,还应该考虑仪器的操作环境。避免过度振动,以防止对测试仪器性能和硬度读取产生影响。保证放置测试仪处的温度范围保持一致,ASTM建议测试的环境温度为50-95°F(10-35°C)。在极端温度下操作该测试仪可能对测试数据造成负面影响。
  • 日常间接对测试仪器的性能进行验证也同样重要;应使用标准的试样验证天平的性能。如果可以,建议每次更换等级、启动时用每个更换的等级对系统进行验证。应在测试材料的大概范围内选择试块,并只用于校准测。应制作两个“基座”压痕以固定砧座、试块和压头。应在记录测试结果前删除这些数值。在验证过程中应读数五次;测量值必须位于区间和区间证书规定的公差范围内。如果验证失败,应将机器从操作中移开,直到作出适当调整或修理。应定期对金刚石或球压头进行检查,查看是否有因检测过程造成的损坏,如有损坏则因替换新的。
  • 最后,要实现持续顺畅的运行以及保证满足罗克韦尔的测试精度要求,对仪器的维护和授权验证工作是不可避免的。ASTM 建议每年都应该对洛氏硬度计进行维护和验证,而对于频繁使用或在恶劣环境中使用的洛氏硬度计进行更加频繁的验证。应由经认证的检定机构负责检定工作,并遵照和参考《ASTM E18 洛氏硬度测试法》出具检定报告。
  • 硬度试验是材料试验、质量控制和验收以及性能分析中重要且有用的工具。我们依靠这些数据来验证热处理影响、结构完整性和组件质量,以确保我们的日常用品中采用的材料不仅设计精妙、实用高效,而且安全可靠。正确的技术、流程、严格遵守标准以及遵循良好实践,能够极大提升洛氏测试的准确性和有用性。