常用硬度檢測(cè)方法及其在鈦合金中的應(yīng)用

張 娟, 李 鵬, 許 飛, 田晨超

(西北有色金屬研究院 材料分析中心, 西安 710016)

常用硬度檢測(cè)方法及其在鈦合金中的應(yīng)用

張 娟, 李 鵬, 許 飛, 田晨超

(西北有色金屬研究院 材料分析中心, 西安 710016)

硬度的測(cè)定是材料在力學(xué)性能研究中最簡(jiǎn)便、最常用的一種方法，可以在各種形狀和尺寸的試件上進(jìn)行試驗(yàn)，不需要特別試樣，并且與材料抗拉強(qiáng)度有近似的正比關(guān)系.通過匯總前人的研究結(jié)果，對(duì)比了布氏、洛氏、維氏、努氏、韋氏、巴氏、肖氏、里氏幾種常見硬度的測(cè)試方法、應(yīng)用范圍及特點(diǎn)，對(duì)于最常用的布氏、洛氏、維氏簡(jiǎn)述了測(cè)試原理、計(jì)算公式、執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)及這3種硬度值之間的換算方法.還簡(jiǎn)述了硬度在鈦及鈦合金中的應(yīng)用情況，并列出了常用的鈦合金的硬度情況.

硬度測(cè)試；布氏硬度；洛氏硬度；維氏硬度；鈦合金

硬度是評(píng)定金屬材料力學(xué)性能最常用的指標(biāo)之一.硬度的實(shí)質(zhì)是材料抵抗另一較硬材料壓入的能力，廣泛應(yīng)用于金屬性能檢驗(yàn)、熱處理工藝質(zhì)量監(jiān)督和新材料的研制.金屬硬度檢測(cè)主要有兩類試驗(yàn)方法.一類是靜態(tài)試驗(yàn)方法，這類方法試驗(yàn)力的施加是緩慢而無沖擊的.硬度的測(cè)定主要決定于壓痕的深度、壓痕投影面積或壓痕凹印面積的大小.靜態(tài)試驗(yàn)方法包括布氏、洛氏、維氏、努氏、韋氏、巴氏等.其中布、洛、維三種試驗(yàn)方法是應(yīng)用最廣的，洛氏硬度試驗(yàn)又是應(yīng)用最多的，據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前應(yīng)用中的硬度計(jì)70%是洛氏硬度計(jì).另一類試驗(yàn)方法是動(dòng)態(tài)試驗(yàn)法，這類方法試驗(yàn)力的施加是動(dòng)態(tài)的和沖擊性的，主要包括肖氏和里氏硬度試驗(yàn)法.動(dòng)態(tài)試驗(yàn)法主要用于大型的、不可移動(dòng)工件的硬度檢測(cè).表1列出了常用硬度測(cè)試方法的相關(guān)信息.

表1 常用硬度測(cè)試方法[1-29]

注：(1)錐角為120°的金剛石圓錐體；(2)直徑為1.588 mm的淬硬鋼球；(3)兩相對(duì)面間夾角為136°的金剛石四棱錐體；(4)對(duì)面角分別為172.5°及130°的四角棱錐金剛石壓頭.

本文針對(duì)最常用的洛氏、布氏、維氏硬度三種測(cè)試方法的原理及特點(diǎn)做簡(jiǎn)單的介紹和分析，并介紹典型的鈦及鈦合金的硬度范圍及特點(diǎn).

1 洛氏、布氏、維氏硬度測(cè)定原理和方法

1.1 洛氏硬度

洛氏硬度試驗(yàn)由美國(guó)S.P.Rockwell和M.Rockwell于1919年提出，是最常用的硬度試驗(yàn)方法之一.

如圖1所示，采用金剛石圓錐體(錐角為120°)和采用淬火鋼球(直徑為1.588 mm)做壓頭，加預(yù)載荷P0，得壓痕深度h0，再加主載荷P1，壓痕深度增量為h1，P1卸除后，得到壓痕深度殘余增量e，用一個(gè)常數(shù)k減去e來表示硬度值以符合數(shù)值愈大硬度愈高的習(xí)慣，并規(guī)定每0.002 mm為一個(gè)硬度單位[27].

(1)

主要執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)有：GB 230.1-2009[30]等.

由于洛氏硬度試驗(yàn)所用載荷較大，不宜用來測(cè)定極薄工件等硬度，常用表面洛氏硬度試驗(yàn)方法，其原理與一般洛氏硬度試驗(yàn)方法相同，區(qū)別在于該法所使用的金剛石圓錐壓頭和表盤指示器更為精密；其初始載荷減為3 kgf，總載荷分別減為15、30和45 kgf.

圖1 洛氏硬度試驗(yàn)原理

圖2 布氏硬度試驗(yàn)原理

1.2 布氏硬度

布氏硬度試驗(yàn)是1900年由瑞典J.B.Brinell提出的，也是最常用的硬度試驗(yàn)方法之一.原理為將直徑為D的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球以一定的載荷F壓入試樣表面，經(jīng)過規(guī)定的保持時(shí)間后卸除載荷，測(cè)量壓痕直徑(圖2)，按公式(2)計(jì)算硬度值.

(2)

主要執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)有：GB/T 231.1-2009[31]等.

工廠日常檢驗(yàn)大鍛件、大鑄件和鋼材時(shí)，為了免除切取試樣，可采用錘擊式簡(jiǎn)易布氏硬度計(jì)，如圖3所示，按公式(3)計(jì)算硬度值.

(3)

該方法執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)JJG 411-1997[32].

1.3 維氏硬度

維氏硬度是1925年由英國(guó)的R.L.Smith和G.E.Sandland提出的.維氏硬度測(cè)定原理基本上和布氏硬度相同(圖4)，所不同的是維氏硬度采用了錐面夾角為136°的金剛石四方角錐體.這時(shí)由于壓入角φ恒定不變，使得載荷F改變時(shí)，壓痕的幾何形狀相似.因此，理論上任意載荷下硬度值相同，這是維氏硬度試驗(yàn)最主要的特點(diǎn).

(4)

主要執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)有：GB/T4340.1-2009[33]等.

維氏硬度試驗(yàn)按試驗(yàn)力大小的不同，細(xì)分為3種試驗(yàn)，即：維氏硬度試驗(yàn)、小負(fù)荷維氏硬度試驗(yàn)和顯微維氏硬度試驗(yàn).顯微硬度應(yīng)用非常廣泛：測(cè)定金屬及合金中各組成相的硬度，可研究金屬表面層性能，研究晶粒內(nèi)部不均勻性等.顯微硬度易受到試樣表面層的影響，因此應(yīng)按金相試樣制備，最好采用電解或化學(xué)拋光以排除加工硬化的影響.

圖3 錘擊式簡(jiǎn)易布氏硬度計(jì)

圖4 維氏硬度試驗(yàn)原理

2 洛氏、布氏、維氏硬度之間的相互換算

黑色金屬的硬度轉(zhuǎn)換目前可以參照相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)[34]，同時(shí)對(duì)于常用硬度值之間的轉(zhuǎn)換，也有研究[35-36]參考標(biāo)準(zhǔn)中數(shù)據(jù)回歸或推導(dǎo)出了換算公式，見表2.

表2 常用硬度換算方法[37]

3 典型鈦及鈦合金的硬度

在普通的鈦及鈦合金棒材標(biāo)準(zhǔn)中，例如GB/T 2965-2007、GJB2218A-2008、GJB1538A-2008中，并未將硬度作為驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，而在要求較高的發(fā)動(dòng)機(jī)及鍛件標(biāo)準(zhǔn)中，例如GJB2744A-2007、GJB494A-2008，則要求硬度作為驗(yàn)收依據(jù)，鈦及鈦合金的硬度值較低.因此，通常檢測(cè)布氏硬度或洛氏硬度.

對(duì)于設(shè)計(jì)單位來說，硬度數(shù)據(jù)是必不可少的參考值，因此在新材料開發(fā)時(shí)，往往將各種狀態(tài)的硬度數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試并匯編成冊(cè)，作為設(shè)計(jì)的依據(jù).表3列出了典型鈦及鈦合金的硬度值.

表3 典型鈦及鈦合金的硬度值[39]

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[責(zé)任編輯 馬云彤]

Frequently-used Methods of Hardness-testing andIts Applications in Titanium Alloys

ZHANG Juan, LI Peng, XU Fei, TIAN Chen-chao

(Analysis Center for Materials Research, Northwest Institute for Nonferrous Metal Research, Xi’an 710016, China)

Hardness test is one of the most convenient and widely-used methods because it can be implemented directly on workpieces of various shapes and dimensions rather than making specific specimens. In addition, it is proved that hardness is in direct proportion to tensile stress approximately. Present work shows the information of Brinell, Rockwell, Vicker, Knoop, Wechsler, Barcol, Shore, Dietmar hardness, include test requirements, range of application, advantages as well as disadvantages. And the principles, formulas, standards and conversions of Brinell, Rockwell, Vicker hardness which are most widely used are introduced briefly. Furthermore, the hardnesses of titanium and titanium alloys are also listed.

hardness-testing; Brinell hardness; Rockwell hardness; Vickers hardness; Titanium alloys

1008-5564(2016)06-0017-05

2016-08-10

陜西省科技資源開放共享平臺(tái)項(xiàng)目(2016FWPT-11)

張 娟(1981—)，女，四川成都人，西北有色金屬研究院材料分析中心工程師，碩士，主要從事材料物理學(xué)力學(xué)性能研究.

TG146.23

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