摘 要: 介紹了金屬努氏硬度試驗(yàn)方法的特點(diǎn) , 對(duì)新制定的金屬努氏硬度試驗(yàn)方法國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)內(nèi)容作了說(shuō)明。
GB/T18449.1-2001 金屬努氏硬度試驗(yàn)第 1 部分 : 試驗(yàn)方法已由國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局 2001 年 9 月 15 日批準(zhǔn)發(fā)布 , 該標(biāo)準(zhǔn)自 2002 年 2 月 1 日起實(shí)施。本標(biāo)準(zhǔn)是新制定的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) , 制定本標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)負(fù)責(zé)單位是鋼鐵研究總院 , 本試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)由全國(guó)鋼標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)歸口 , 屬于金屬力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)編制范圍。
努氏硬度試驗(yàn)是顯微硬度試驗(yàn)中的一種 , 本試驗(yàn)方法在很小的試驗(yàn)力下對(duì)材料硬度進(jìn)行測(cè)定 , 輕微的試驗(yàn)力所產(chǎn)生的壓痕很小 , 壓痕深度很淺。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn) , 本試驗(yàn)方法可用于測(cè)定尺寸很小的零件硬度 , 例如儀表零件、齒輪、軸尖、細(xì)絲等 ; 可測(cè)定薄件或薄層的硬度 , 如刃口、鍍層、擴(kuò)散層等。另一重要用途是測(cè)定脆性物體如玻璃、寶石、礦物等材料的硬度 , 并可作為金相學(xué)、金屬學(xué)和金屬物理方面的研究。為了準(zhǔn)確反映上述材料硬度特性 , 對(duì)此試驗(yàn)方法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化十分必要。標(biāo)準(zhǔn)化組織前幾年已建立了本試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn) , 在金屬努氏硬度試驗(yàn)方面目前有如下四個(gè)標(biāo)準(zhǔn) :
ISO4545-1993 金屬材料 努氏硬度試驗(yàn)
ISO4546-1993 金屬材料 努氏硬度計(jì)的檢驗(yàn)
ISO4547-1993 金屬材料 努氏硬度計(jì)用標(biāo)準(zhǔn)塊的標(biāo)定
ISO10250-1994 金屬材料 平面努氏硬度值表
我國(guó)新制定金屬努氏硬度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)后 , 與相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)均有對(duì)應(yīng)關(guān)系 , 在試驗(yàn)方法方面 ,GB/T18449.1-2001 與 ISO4545-1993 及 ISO10250-1994 等效 ; 在硬度計(jì)方面 GB/T18449.2-2001 金屬努氏硬度試驗(yàn) 第 2 部分 : 硬度計(jì)的檢驗(yàn)與 ISO4546-1993 等同 ; 在標(biāo)準(zhǔn)硬度塊方面 ,GBPT18449.3-2001 金屬努氏硬度試驗(yàn) 第 3 部分 : 標(biāo)準(zhǔn)硬度塊的標(biāo)定與 ISO4547-1993 等同 , 這樣就使我國(guó)金屬努氏硬度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)全面與相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)接軌。
1 試驗(yàn)原理
努氏硬度試驗(yàn)原理與顯微維氏硬度試驗(yàn)原理基本相同。即將金剛石壓頭壓入試樣表面 , 保持一定時(shí)間后去除試驗(yàn)力 , 測(cè)量壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度。兩種試驗(yàn)方法的區(qū)別是 : 顯微維氏硬度試驗(yàn)使用正四棱錐體金剛石壓頭 , 而努氏硬度試驗(yàn)使用菱形錐體金剛石壓頭 ; 顯微維氏硬度值是試驗(yàn)力除以壓痕表面積所得的商 , 而努氏硬度值是試驗(yàn)力除以壓痕投影面積所得的商 , 見(jiàn)表 1 。
努氏硬度試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)試驗(yàn)原理描述如下 : 將頂部?jī)上鄬?duì)面具有規(guī)定角度的菱形錐體金剛石壓頭用試驗(yàn)力壓入試樣表面 , 經(jīng)規(guī)定保護(hù)時(shí)間后卸除試驗(yàn)力 , 測(cè)量試樣表面壓痕長(zhǎng)對(duì)角線的長(zhǎng)度。
由于努氏硬度試驗(yàn)中測(cè)量壓痕長(zhǎng)對(duì)角線長(zhǎng)度 , 因而比顯微維氏硬度壓痕測(cè)量誤差要小 , 而且在相同試驗(yàn)力下 , 努氏硬度壓痕比顯微維氏壓痕要淺 , 更適于厚度很薄的材料硬度的測(cè)定。此外 , 由于努氏硬度壓頭為菱面錐體 , 壓入試樣后 , 經(jīng)規(guī)定保持時(shí)間將試驗(yàn)力去除后彈性回復(fù)主要產(chǎn)生于短對(duì)角線方向 , 長(zhǎng)對(duì)角線方向的彈性回復(fù)很微弱 , 可以忽略不計(jì) , 因而可測(cè)得無(wú)彈性回復(fù)影響的顯微硬度 , 故努氏硬度值是依據(jù)未經(jīng)彈性回復(fù)的壓痕投影面積計(jì)算的 , 這就具有與顯微維氏硬度不同的物理意義。
2 硬度符號(hào)
努氏硬度用符號(hào) HK 表示 , 與其他硬度表示順序一樣 , 在 HK 之前是硬度值 , 在 HK 后面有表示試驗(yàn)力的數(shù)值和試驗(yàn)力保持時(shí)間的數(shù)值。當(dāng)試驗(yàn)力保持時(shí)間是常規(guī)的 10 ～ 15s 時(shí) , 此表示可以省略 , 如不在此范圍 , 則應(yīng)表示出來(lái)。例如 :640HK0.1 表示努氏硬度值為 640, 所采用的試驗(yàn)力為 0.9807N0.9807N 是由原單位制 0.1kgf 換算過(guò)來(lái)的 , 為了使硬度符號(hào)簡(jiǎn)明直觀 , 力值仍標(biāo)示以 kgf 為單位的數(shù)值 , 即 0.1kgf 。由于試驗(yàn)力保持時(shí)間是 10 ～ 15s, 則上述符號(hào)不標(biāo)注 , 如試驗(yàn)力保持時(shí)間是 20s, 則表示為 640HK0.1/20 。
3 試驗(yàn)裝置
對(duì)于努氏硬度計(jì)的要求 , 用單項(xiàng)指標(biāo)衡量 , 包括對(duì)試驗(yàn)力 , 壓頭 , 壓痕測(cè)量裝置的檢查 , 用綜合指標(biāo)衡量 , 包括對(duì)硬度計(jì)的重復(fù)性誤差和示值誤差的檢查。當(dāng)檢驗(yàn)前三項(xiàng)基本功能時(shí) , 稱為直接檢驗(yàn)法 , 當(dāng)檢驗(yàn)后兩項(xiàng)綜合性能時(shí) , 稱為間接檢驗(yàn)法。間接檢驗(yàn)法可以獨(dú)立對(duì)使用中的硬度計(jì)定期檢查。
在直接校驗(yàn)中 , 試驗(yàn)力 , 壓頭 , 壓痕測(cè)量裝置應(yīng)滿足如下要求 :
3.1試驗(yàn)力
HK0.1-HK1 的試驗(yàn)力大誤差為± 1%; 對(duì)大于 HK0.01 而小于 HK0.2 的試驗(yàn)力為± 1.5%; 對(duì)小于或等于 HK0.01 的試驗(yàn)力為± 2.0% 。
對(duì)于硬度計(jì)工作范圍內(nèi)所使用的每一個(gè)試驗(yàn)力 表 2 應(yīng)在接近試驗(yàn)過(guò)程中主軸行程極限不少于兩個(gè)位置上測(cè)量。
3.2壓頭
本標(biāo)準(zhǔn)引用了 GBPT18449.2-2001 中對(duì)努氏硬度壓頭的規(guī)定 :
a 壓頭應(yīng)是具有菱形基面的金剛石棱錐體 , 四個(gè)面應(yīng)拋光且無(wú)表面缺陷。
b 壓頭相對(duì)棱間α角為 172.5 °± 0.1 ° , β角為 130 °± 0.1 °。
c 金剛石錐體軸線與壓頭柄軸線間的夾角應(yīng)不超過(guò) 0.5 ° , 相對(duì)面間任一交線長(zhǎng)度應(yīng)小于 1 μ m 。
3.3壓痕測(cè)量裝置
本標(biāo)準(zhǔn)對(duì)壓痕測(cè)量裝置的要求在 GBPT18449.2-2001 中已有規(guī)定 , 即 :
a 壓痕測(cè)量裝置應(yīng)能將壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度估測(cè)至± 0.2 μ m 以內(nèi) ;
b 測(cè)量裝置的大允許誤差為± 1.0% 或 0.4 μ m, 以較大者為準(zhǔn)。
3.4硬度計(jì)綜合指標(biāo)
根據(jù) GBPT18449.2-2001 的規(guī)定 , 檢查硬度計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)硬度塊分為三個(gè)范圍 :
≤ 225HK
400HK ～ 600HK
>700HK
檢驗(yàn)硬度計(jì)時(shí) , 在每一硬度塊上壓出 5 個(gè)壓痕 , 將各對(duì)角線值 d1d2 ? d5 按遞增順序排列 , 其重復(fù)性誤差用 d5-d1 確定 , 當(dāng) d5-d1 小于 0.05d 時(shí) , 表明硬度計(jì)合格 ,d=d1+ ? d5/5 。
硬度計(jì)的示值誤差用 H-H 確定 , 式中 H=H1+ ? H5/5,H1-H5 是 d1 ～ d5 相對(duì)應(yīng)的硬度值 ,H 是標(biāo)準(zhǔn)塊硬度值 , 努氏硬度計(jì)示值誤差應(yīng)符合表 2 規(guī)定。
4試驗(yàn)方法
試驗(yàn)方法部分規(guī)定了試驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度范圍 , 選擇的試驗(yàn)力級(jí)別 , 試樣的支承 , 試驗(yàn)力的施加及保持時(shí)間 , 以及壓痕之間的距離 , 這些規(guī)定均與標(biāo)準(zhǔn) ISO4545 相同。
關(guān)于在平面上試驗(yàn)用的努氏硬度值表 , 標(biāo)準(zhǔn)在 ISO10250 中單獨(dú)給出。我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)是在金屬努氏硬度試驗(yàn)方法中以附錄 標(biāo)準(zhǔn)的附錄 的形式列出的。其結(jié)構(gòu)內(nèi)容*相同。
4.1試驗(yàn)力的施加
與其他硬度試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定一樣 , 努氏硬度試驗(yàn)中施加試驗(yàn)力之前 , 試樣應(yīng)穩(wěn)固地放置在剛性和經(jīng)過(guò)清潔的支承臺(tái)上 , 使得在施加試驗(yàn)力過(guò)程中試樣不產(chǎn)生任何位移。為保證試驗(yàn)力正確的施加 , 試樣的放置應(yīng)使試樣表面與壓頭軸線相垂直。為使試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有可比性 , 施加全部試驗(yàn)力的時(shí)間應(yīng)不超過(guò) 10s, 并控制壓頭下降速度在 15 μ mPs ～ 70 μ mPs 之間。試驗(yàn)力的保持時(shí)間在 10s ～ 15s 之內(nèi) , 對(duì)于特殊材料 , 可延長(zhǎng)試驗(yàn)力保持時(shí)間 , 為保證試驗(yàn)條件的一致性 , 試驗(yàn)力保持時(shí)間的誤差應(yīng)在± 2s 之內(nèi)。
4.2壓痕間距
由于努氏硬度壓頭壓出的是菱形壓痕 , 考慮到壓痕邊緣周圍的應(yīng)變硬化區(qū)尺寸 , 標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)壓痕間距的規(guī)定均以壓痕短對(duì)角線的倍數(shù)為準(zhǔn) , 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定 , 任一壓痕邊界距試樣邊緣的距離對(duì)于鋼、銅及銅合金至少為壓痕短對(duì)角線長(zhǎng)度的 2.5 倍 ; 對(duì)于輕金屬、鉛、錫及合金至少應(yīng)為壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度的 3 倍。兩相鄰壓
痕之間的距離 , 對(duì)于鋼、銅及銅合金至少應(yīng)為壓痕短對(duì)角線的 3 倍 ; 對(duì)于輕金屬、鉛、錫及合金至少應(yīng)為壓痕短對(duì)角線長(zhǎng)度的 6 倍。
4.3平面努氏硬度值表
在標(biāo)準(zhǔn)的附錄 A 中 , 列出了平面努氏硬度值表 , 本表適用于壓痕長(zhǎng)對(duì)角線在 0.020 ～ 0.200mm 范圍的試驗(yàn)。努氏硬度值均按公式 HK=1.451FPd2 計(jì)算出。在標(biāo)準(zhǔn)中將努氏硬度計(jì)算表單獨(dú)列為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn) , 即 ISO10250-1994, 考慮到本表與試驗(yàn)方法有直接關(guān)系 , 故在制定本國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí) , 將硬度計(jì)算表作為 GBPT18449.1 的一部分 , 以標(biāo)準(zhǔn)附錄形式出現(xiàn)。
4.4努氏硬度值的換算與比較
與其他硬度之間的換算一樣 , 目前尚無(wú)普遍適用的方法將努氏硬度地?fù)Q算成其它硬度值 , 這是由于對(duì)每種硬度試驗(yàn)而言硬度值是用特定的原理和計(jì)算方法導(dǎo)出的 , 因此硬度本身是一個(gè)不確定的物理量。如果必須將努氏硬度換算成其他硬度值 , 則要通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)建立可靠的換算基礎(chǔ)。
本標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定 , 努氏硬度試驗(yàn)結(jié)果的比較應(yīng)在試驗(yàn)力相同的條件下進(jìn)行 , 這與維氏硬度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定相同。本規(guī)定主要是考慮到試樣的實(shí)際情況 , 實(shí)際試驗(yàn)材料往往在表面下不同深度處或某一厚度范圍反映出不同的硬度值 , 用不同試驗(yàn)力試驗(yàn)的結(jié)果往往有不同程度的差異 , 為使試驗(yàn)室之間和各種來(lái)源的試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有可比性 , 標(biāo)準(zhǔn)中作了此規(guī)定。
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