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)

常用硬度檢測方法及其在鈦合金中的應用

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)

硬度的測定是材料在力學性能研究中最簡便、最常用的一種方法，可以在各種形狀和尺寸的試件上進行試驗，不需要特別試樣，并且與材料抗拉強度有近似的正比關系.通過匯總前人的研究結果，對比了布氏、洛氏、維氏、努氏、韋氏、巴氏、肖氏、里氏幾種常見硬度的測試方法、應用范圍及特點，對于最常用的布氏、洛氏、維氏簡述了測試原理、計算公式、執(zhí)行標準及這3種硬度值之間的換算方法.還簡述了硬度在鈦及鈦合金中的應用情況，并列出了常用的鈦合金的硬度情況.

硬度測試；布氏硬度；洛氏硬度；維氏硬度；鈦合金

硬度是評定金屬材料力學性能最常用的指標之一.硬度的實質(zhì)是材料抵抗另一較硬材料壓入的能力，廣泛應用于金屬性能檢驗、熱處理工藝質(zhì)量監(jiān)督和新材料的研制.金屬硬度檢測主要有兩類試驗方法.一類是靜態(tài)試驗方法，這類方法試驗力的施加是緩慢而無沖擊的.硬度的測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、維三種試驗方法是應用最廣的，洛氏硬度試驗又是應用最多的，據(jù)統(tǒng)計，目前應用中的硬度計70%是洛氏硬度計.另一類試驗方法是動態(tài)試驗法，這類方法試驗力的施加是動態(tài)的和沖擊性的，主要包括肖氏和里氏硬度試驗法.動態(tài)試驗法主要用于大型的、不可移動工件的硬度檢測.表1列出了常用硬度測試方法的相關信息.

表1 常用硬度測試方法[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)兩相對面間夾角為136°的金剛石四棱錐體；(4)對面角分別為172.5°及130°的四角棱錐金剛石壓頭.

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

1 洛氏、布氏、維氏硬度測定原理和方法

1.1 洛氏硬度

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

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慣，并規(guī)定每0.002 mm為一個硬度單位[27].

(1)

主要執(zhí)行標準有：GB 230.1-2009[30]等.

由于洛氏硬度試驗所用載荷較大，不宜用來測定極薄工件等硬度，常用表面洛氏硬度試驗方法，其原理與一般洛氏硬度試驗方法相同，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 洛氏硬度試驗原理

圖2 布氏硬度試驗原理

1.2 布氏硬度

布氏硬度試驗是1900年由瑞典J.B.Brinell提出的，也是最常用的硬度試驗方法之一.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)定的保持時間后卸除載荷，測量壓痕直徑(圖2)，按公式(2)計算硬度值.

(2)

主要執(zhí)行標準有：GB/T 231.1-2009[31]等.

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

(3)

該方法執(zhí)行標準JJG 411-1997[32].

1.3 維氏硬度

維氏硬度是1925年由英國的R.L.Smith和G.E.Sandland提出的.維氏硬度測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.這時由于壓入角φ恒定不變，使得載荷F改變時，壓痕的幾何形狀相似.因此，理論上任意載荷下硬度值相同，這是維氏硬度試驗最主要的特點.

(4)

主要執(zhí)行標準有：GB/T4340.1-2009[33]等.

維氏硬度試驗按試驗力大小的不同，細分為3種試驗，即：維氏硬度試驗、小負荷維氏硬度試驗和顯微維氏硬度試驗.顯微硬度應用非常廣泛：測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，因此應按金相試樣制備，最好采用電解或化學拋光以排除加工硬化的影響.

圖3 錘擊式簡易布氏硬度計

圖4 維氏硬度試驗原理

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的標準[34]，同時對于常用硬度值之間的轉(zhuǎn)換，也有研究[35-36]參考標準中數(shù)據(jù)回歸或推導出了換算公式，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準中，例如GB/T 2965-2007、GJB2218A-2008、GJB1538A-2008中，并未將硬度作為驗收標準，而在要求較高的發(fā)動機及鍛件標準中，例如GJB2744A-2007、GJB494A-2008，則要求硬度作為驗收依據(jù)，鈦及鈦合金的硬度值較低.因此，通常檢測布氏硬度或洛氏硬度.

對于設計單位來說，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，往往將各種狀態(tài)的硬度數(shù)據(jù)進行測試并匯編成冊，作為設計的依據(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項目(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力學性能研究.

TG146.23

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