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摘　要: 介紹了金屬努氏硬度試驗方法的特點 , 對新制定的金屬努氏硬度試驗方法國家標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)內(nèi)容作了說明。

GB/T18449.1-2001 金屬努氏硬度試驗第 1 部分 : 試驗方法已由國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局 2001 年 9 月 15 日批準(zhǔn)發(fā)布 , 該標(biāo)準(zhǔn)自 2002 年 2 月 1 日起實施。本標(biāo)準(zhǔn)是新制定的國家標(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 , 本試驗方法標(biāo)準(zhǔn)由全國鋼標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會歸口 , 屬于金屬力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)編制范圍。

努氏硬度試驗是顯微硬度試驗中的一種 , 本試驗方法在很小的試驗力下對材料硬度進(jìn)行測定 , 輕微的試驗力所產(chǎn)生的壓痕很小 , 壓痕深度很淺。根據(jù)這個特點 , 本試驗方法可用于測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 , 對此試驗方法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化十分必要。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織前幾年已建立了本試驗方法標(biāo)準(zhǔn) , 在金屬努氏硬度試驗方面目前有如下四個國際標(biāo)準(zhǔn) :

ISO4545-1993 金屬材料　努氏硬度試驗

ISO4546-1993 金屬材料　努氏硬度計的檢驗

ISO4547-1993 金屬材料　努氏硬度計用標(biāo)準(zhǔn)塊的標(biāo)定

ISO10250-1994 金屬材料　平面努氏硬度值表

我國新制定金屬努氏硬度試驗標(biāo)準(zhǔn)后 , 與相應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)均有對應(yīng)關(guān)系 , 在試驗方法方面 ,GB/T18449.1-2001 與 ISO4545-1993 及 ISO10250-1994 等效 ; 在硬度計方面 GB/T18449.2-2001 金屬努氏硬度試驗　第 2 部分 : 硬度計的檢驗與 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　第 3 部分 : 標(biāo)準(zhǔn)硬度塊的標(biāo)定與 ISO4547-1993 等同 , 這樣就使我國金屬努氏硬度試驗標(biāo)準(zhǔn)全面與相應(yīng)國際標(biāo)準(zhǔn)接軌。

1 試驗原理

努氏硬度試驗原理與顯微維氏硬度試驗原理基本相同。即將金剛石壓頭壓入試樣表面 , 保持一定時間后去除試驗力 , 測量壓痕對角線長度。兩種試驗方法的區(qū)別是 : 顯微維氏硬度試驗使用正四棱錐體金剛石壓頭 , 而努氏硬度試驗使用菱形錐體金剛石壓頭 ; 顯微維氏硬度值是試驗力除以壓痕表面積所得的商 , 而努氏硬度值是試驗力除以壓痕投影面積所得的商 , 見表 1 。

努氏硬度試驗方法標(biāo)準(zhǔn)中對試驗原理描述如下 : 將頂部兩相對面具有規(guī)定角度的菱形錐體金剛石壓頭用試驗力壓入試樣表面 , 經(jīng)規(guī)定保護(hù)時間后卸除試驗力 , 測量試樣表面壓痕長對角線的長度。

由于努氏硬度試驗中測量壓痕長對角線長度 , 因而比顯微維氏硬度壓痕測量誤差要小 , 而且在相同試驗力下 , 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)定保持時間將試驗力去除后彈性回復(fù)主要產(chǎn)生于短對角線方向 , 長對角線方向的彈性回復(fù)很微弱 , 可以忽略不計 , 因而可測得無彈性回復(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

努氏硬度用符號 HK 表示 , 與其他硬度表示順序一樣 , 在 HK 之前是硬度值 , 在 HK 后面有表示試驗力的數(shù)值和試驗力保持時間的數(shù)值。當(dāng)試驗力保持時間是常規(guī)的 10 ～ 15s 時 , 此表示可以省略 , 如不在此范圍 , 則應(yīng)表示出來。例如 :640HK0.1 表示努氏硬度值為 640, 所采用的試驗力為 0.9807N0.9807N 是由原單位制 0.1kgf 換算過來的 , 為了使硬度符號簡明直觀 , 力值仍標(biāo)示以 kgf 為單位的數(shù)值 , 即 0.1kgf 。由于試驗力保持時間是 10 ～ 15s, 則上述符號不標(biāo)注 , 如試驗力保持時間是 20s, 則表示為 640HK0.1/20 。

3 試驗裝置

對于努氏硬度計的要求 , 用單項指標(biāo)衡量, 包括對試驗力,壓頭 ,壓痕測量裝置的檢查,用綜合指標(biāo)衡量 , 包括對硬度計的重復(fù)性誤差和示值誤差的檢查。當(dāng)檢驗前三項基本功能時, 稱為直接檢驗法, 當(dāng)檢驗后兩項綜合性能時 , 稱為間接檢驗法。間接檢驗法可以獨(dú)立對使用中的硬度計定期檢查。

在直接校驗中, 試驗力, 壓頭 , 壓痕測量裝置應(yīng)滿足如下要求 :

3.1試驗力

HK0.1-HK1 的試驗力最大誤差為± 1%; 對大于 HK0.01 而小于 HK0.2 的試驗力為± 1.5%; 對小于或等于 HK0.01 的試驗力為± 2.0% 。

對于硬度計工作范圍內(nèi)所使用的每一個試驗力 表 2 應(yīng)在接近試驗過程中主軸行程極限不少于兩個位置上測量。

3.2壓頭

本標(biāo)準(zhǔn)引用了 GBPT18449.2-2001 中對努氏硬度壓頭的規(guī)定 :

a 壓頭應(yīng)是具有菱形基面的金剛石棱錐體 , 四個面應(yīng)拋光且無表面缺陷。

b 壓頭相對棱間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 0.5 ° , 相對面間任一交線長度應(yīng)小于 1 μ m 。

3.3壓痕測量裝置

本標(biāo)準(zhǔn)對壓痕測量裝置的要求在 GBPT18449.2-2001 中已有規(guī)定 , 即 :

a 壓痕測量裝置應(yīng)能將壓痕對角線長度估測至± 0.2 μ m 以內(nèi) ;

b 測量裝置的最大允許誤差為± 1.0% 或 0.4 μ m, 以較大者為準(zhǔn)。

3.4硬度計綜合指標(biāo)

根據(jù) GBPT18449.2-2001 的規(guī)定 , 檢查硬度計的標(biāo)準(zhǔn)硬度塊分為三個范圍 :

≤ 225HK

400HK ～ 600HK

>700HK

檢驗硬度計時 , 在每一硬度塊上壓出 5 個壓痕 , 將各對角線值 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 , 表明硬度計合格 ,d=d1+ ? d5/5 。

硬度計的示值誤差用 H-H 確定 , 式中 H=H1+ ? H5/5,H1-H5 是 d1 ～ d5 相對應(yīng)的硬度值 ,H 是標(biāo)準(zhǔn)塊硬度值 , 努氏硬度計示值誤差應(yīng)符合表 2 規(guī)定。

4試驗方法

試驗方法部分規(guī)定了試驗時環(huán)境溫度范圍 , 選擇的試驗力級別 , 試樣的支承 , 試驗力的施加及保持時間 , 以及壓痕之間的距離 , 這些規(guī)定均與國際標(biāo)準(zhǔn) ISO4545 相同。

關(guān)于在平面上試驗用的努氏硬度值表 , 國際標(biāo)準(zhǔn)在 ISO10250 中單獨(dú)給出。我國標(biāo)準(zhǔn)是在金屬努氏硬度試驗方法中以附錄 標(biāo)準(zhǔn)的附錄 的形式列出的。其結(jié)構(gòu)內(nèi)容完全相同。

4.1試驗力的施加

與其他硬度試驗方法標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定一樣 , 努氏硬度試驗中施加試驗力之前 , 試樣應(yīng)穩(wěn)固地放置在剛性和經(jīng)過清潔的支承臺上 , 使得在施加試驗力過程中試樣不產(chǎn)生任何位移。為保證試驗力正確的施加 , 試樣的放置應(yīng)使試樣表面與壓頭軸線相垂直。為使試驗數(shù)據(jù)具有可比性 , 施加全部試驗力的時間應(yīng)不超過 10s, 并控制壓頭下降速度在 15 μ mPs ～ 70 μ mPs 之間。試驗力的保持時間在 10s ～ 15s 之內(nèi) , 對于特殊材料 , 可延長試驗力保持時間 , 為保證試驗條件的一致性 , 試驗力保持時間的誤差應(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)中對壓痕間距的規(guī)定均以壓痕短對角線的倍數(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于鋼、銅及銅合金至少為壓痕短對角線長度的 2.5 倍 ; 對于輕金屬、鉛、錫及合金至少應(yīng)為壓痕對角線長度的 3 倍。兩相鄰壓

痕之間的距離 , 對于鋼、銅及銅合金至少應(yīng)為壓痕短對角線的 3 倍 ; 對于輕金屬、鉛、錫及合金至少應(yīng)為壓痕短對角線長度的 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 , 本表適用于壓痕長對角線在 0.020 ～ 0.200mm 范圍的試驗。努氏硬度值均按公式 HK=1.451FPd2 計算出。在國際標(biāo)準(zhǔn)中將努氏硬度計算表單獨(dú)列為一個標(biāo)準(zhǔn) , 即 ISO10250-1994, 考慮到本表與試驗方法有直接關(guān)系 , 故在制定本國家標(biāo)準(zhǔn)時 , 將硬度計算表作為 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 , 目前尚無普遍適用的方法將努氏硬度精確地?fù)Q算成其它硬度值 , 這是由于對每種硬度試驗而言硬度值是用特定的原理和計算方法導(dǎo)出的 , 因此硬度本身是一個不確定的物理量。如果必須將努氏硬度換算成其他硬度值 , 則要通過對比試驗建立可靠的換算基礎(chǔ)。

本標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定 , 努氏硬度試驗結(jié)果的比較應(yīng)在試驗力相同的條件下進(jìn)行 , 這與維氏硬度試驗標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定相同。本規(guī)定主要是考慮到試樣的實際情況 , 實際試驗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 , 用不同試驗力試驗的結(jié)果往往有不同程度的差異 , 為使試驗室之間和各種來源的試驗數(shù)據(jù)具有可比性 , 標(biāo)準(zhǔn)中作了此規(guī)定。

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