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嘉峪檢測網 2019-04-19 09:54
作為一類簡化的強度性能試驗技術，硬度試驗與拉伸試驗、沖擊試驗及冷彎試驗一起，構成了金屬材料力學性能表征的4類基礎性重要試驗方法，在金屬材料研發、鋼鐵產品生產制造及使用領域得到了廣泛采用。
根據硬度試驗的共性原理，即采用特定構造與形狀的剛性壓入物在指定載荷作用下與試樣表面作用，利用卸載后材料留下的永久塑性變形信息表征其“軟/硬”的強度性能，按照壓頭形狀與被測壓痕信息類型的不同，實驗室硬度試驗基本可以區分為壓痕深度法與壓痕表面積法兩大類，其中洛氏硬度(HR)試驗與布氏硬度(HBW)試驗是應用最為廣泛、也最為典型的兩類硬度試驗方法。
根據全國鋼標準化技術委員會國家標準制修訂項目計劃，GB/T 230.1-2018«金屬材料洛氏硬度試驗第1部分：試驗方法»與GB/T 231.1-2018«金屬材料布氏硬度試驗第1部分：試驗方法»均已完成更新頒布，分別于2018年12月1日及2019年2月1日實施。由于這兩個標準所規定的洛氏與布氏硬度試驗方法是金屬材料力學實驗室的基本試驗手段，也是眾多國家認可實驗室(CNAS)認可的基本項目，因此盡快理解這兩個2018版新標準的更新內容，掌握新標準對實驗室人、機、料、法、環各要素的新要求，有利于新、舊標準的平穩切換，確保金屬制成品性能質量，特別是鋼鐵冶金上下游客戶獲得準確可靠、可溯源、可比對的硬度性能指標。
洛氏與表面洛氏硬度試驗標準
01、試驗原理
GB/T 230.1-2018規定的洛氏硬度是指，用金剛石圓錐或碳化鎢合金圓球壓頭，在規定的初始試驗力F0作用下壓入試樣表面，得到測量基準面，然后施加主試驗力F1，經規定時間后卸除主試驗力恢復至初始試驗力F0，得到殘余壓痕深度h，如圖1所示。h越大表明材料越軟，相應計算得到的洛氏硬度值越小。
圖1 洛氏硬度試驗原理示意圖
主試驗力可以有如下不同選擇：表面洛氏硬度試驗可采用147.1，294.2，441.3N(即15，30，45kgf)試驗力；洛氏硬度試驗可采用588.4，980.7，1471N(即60，100，150kgf)試驗力。壓頭形狀包括金剛石圓錐以及1/16″和1/8″合金圓球。主試驗力與壓頭組合，可構成HRA，HRC，HRD，…，HRBW，HRFW，HR15TW，HR15N 等15類標尺。不同標尺得到的洛氏硬度值不可直接進行比較。
02、新標準解讀
與GB/T 230.1-2009版標準相比，GB/T 230.1-2018主要技術內容變化如下。
規定采用碳化鎢合金球形壓頭為標準型洛氏硬度壓頭，鋼球壓頭僅適用于特定條件，即滿足附錄A用于薄帶與金剛石砧臺的情形，建議CNAS認可實驗室優先采用碳化鎢合金圓球壓頭。
修改了鋼球壓頭的適用范圍
修改了洛氏硬度HRA和HRB的適用范圍，其中HRA適用范圍包括20~95HRA，HRB適用范圍包括10~100HRBW。
修改了洛氏硬度HRC的適用范圍，即HRC適用范圍包括20~70HRC，當金剛石圓錐表面和頂端球面是經過拋光的，且拋光至沿金剛石圓錐軸向距離尖端至少0.4mm，HRC適用范圍可延伸至10HRC。
修改了初試驗力F0和主試驗力F1的保持時間。其中：F0保持時間為1~4s，期望值3s；F1保持時間為2~6s，期望值5s。洛氏硬度試驗整個加載流程如下：施加初試驗力F0，加載時間不超過2s，保持1~4s；從初試驗力F0增加至總試驗力F0+F1，洛氏硬度的主試驗力加載時間為1~8s，所有HRN和HRTW表面洛氏硬度主試驗力加載時間不超過4s；總試驗力F0+F1保持2~6s，卸除F1至初試驗力F0，保持1~5s后進行最終讀數。若總試驗力保持時間超過6s，應在報告中注明，例如65HRF/10s。
修改了兩相鄰壓痕中心之間的距離。規定兩相鄰壓痕中心之間的距離至少為壓痕直徑的3倍，任一壓痕中心距試樣邊緣距離至少為壓痕直徑的2.5倍。
刪除了洛氏硬度值修約的要求，建議可保留測量值的整數結果。同時，規范了采用球形壓頭洛氏硬度的表示方法，例如70HRBW，60HR30TW，末尾W表示壓頭材料為碳化鎢合金。
刪除了對試樣表面粗糙度的要求。原則上試樣應具有足夠厚度，試驗面應平坦光滑且與底部平行即可。
修改了附錄A中薄產品HR30TSm和HR15TSm使用的壓頭。標尺中的Sm表示在試驗中使用鋼球壓頭和金剛石試樣支座，試驗前需要在已知硬度值的薄樣品上預先試驗，確保試樣支座表面不會影響測試結果。試驗適用于最大厚度0.6mm、最高硬度值82HR30TSm 或93HR15TSm的薄片(帶)，允許壓痕背面出現變形痕跡。
附錄C由資料性附錄改為規范性附錄，同時修改了日常檢查程序的內容。使用者應在當天使用硬度計前，對需要使用的每個標尺進行檢查，至少選取一塊與被測試樣硬度值接近的標準硬度塊，至少測試兩個點，計算其平均值與標準值之間的差值計為設備偏差b，以及兩個測試值之間的差值計為設備重復性r。硬度計允許的重復性范圍和偏差需滿足表1所示要求。
表１ 洛氏硬度計允許的重復性范圍和偏差
附錄D “金剛石壓頭的檢查”由資料性附錄改為規范性附錄。對金剛石壓頭表面在首次使用和校準周期中間，使用合適的光學裝置(顯微鏡、放大鏡)進行檢查，若發現壓頭表面有缺陷，則說明壓頭失效，此時需研磨壓頭并根據GB/T 230.2-2012對修復的壓頭進行校準。建議第三方認可實驗室可直接更換為經過校準的全新金剛石洛氏硬度壓頭。
修改了附錄G“硬度測量值的不確定度評定”方法，此附錄為資料性附錄，不涉及技術內容變動。
布氏硬度試驗標準
01、試驗原理
GB/T 231.1-2018規定的布氏硬度是指，用一定直徑D的碳化鎢合金球，以規定的試驗力F壓入待測材料表面，保持規定時間并達到穩定狀態后卸除試驗力，測量材料表面壓痕直徑d，用球面壓痕單位面積上所承受的載荷來表示硬度值的一種試驗方法，如圖2所示。
圖2 布氏硬度試驗原理示意圖
布氏硬度試驗根據試驗力[包括187.5，750，3000，500，1000kg等對應的力(即1839，7355，29420，4903，9807N)]的不同選擇以及碳化鎢合金球不同直徑規格(主要包括1，2.5，5，10 mm4種)，可構成諸如HBW2.5/187.5，HBW5/750，HBW5/1000，HBW10/3000等標尺選擇，不同標尺得到的布氏硬度值原則上不可直接進行比較。對于黑色金屬、鋼、鎳基合金及鈦合金材料，推薦的試驗力與壓頭直徑平方比為30，即F/D2＝30。此時可供選擇的標尺僅有HBW1/30，HBW2.5/187.5， HBW5/750，HBW10/3000，這4種標尺所得的布氏硬度試驗結果可以直接進行比較。由于布氏硬度提供了最高可達29420N(3000kgf)的試驗力，適用于尺寸較大的塊體結構材料，因此優先選用大壓頭與高載荷標尺，即HBW5/750和HBW10/3000，從而得到均勻、可靠的整體性能參數。
02、新標準解讀
與GB/T 231.1-2009版標準相比，GB/T 231.1-2018主要技術內容變化如下。
(1) 增加了JJG 150«金屬布氏硬度計»規范性引用文件，并不涉及到試驗方法的技術變動。
(2) 增加了按照附錄B核查硬度計狀態的要求，同時將原GB/T 231.1-2009版標準的“資料性附錄B”修改為“規范性附錄”。對于CNAS認可實驗室，可按如下方案參考實施，即按照規范性附錄的要求，更新實驗室布氏硬度計作業指導書或試驗方法作業指導書，增加每次硬度試驗的示值檢查，具體如下：使用者應在當天使用硬度計前，對所使用的硬度標尺和范圍進行日常檢查。選用按照GB/T 231.3標定的標準硬度塊至少打一個壓痕，如果示值誤差在GB/T 231.2(最新有效版)規定的范圍內(如表2所示)，則硬度計為滿意，同時將標準硬度塊檢查的信息反映在原始記錄中。
表2 布氏硬度計允許的重復性范圍和偏差
(3) 如壓痕直徑超出了0.24D~0.6D區間范圍，應在試驗報告中注明壓痕直徑與壓頭直徑的比值d/D 。針對此項變動，根據2.1節布氏硬度試驗原理以及針對鋼材所推薦采用的F/D2＝30比率關系，d/D＝0.24~0.6對應的鋼材布氏硬度范圍在95.5~653HBW，與ASTM A370鋼鐵產品布氏硬度試驗的規定類似，即“布氏硬度試驗不建議適用于硬度值高于650HBW的材料，此時壓頭應廢棄并更換。”
建議對于CNAS認可實驗室，當鋼材布氏硬度值在95.5~650HBW區間范圍以外時，需在報告備注中給出d/D的具體數值。并在硬度超出650HBW時立刻檢查壓頭的計量特性或予以更換，以同時滿足GB/T 231.1-2018以及ASTM A370的要求。
(4) 明確了壓痕直徑的光學測量方法，既可采用手動測量也可采用自動測量系統，采用自動測量系統時建議對測試表面至少進行磨床處理，有條件時可采用鏡面拋光，以確保對壓痕輪廓的可靠辨識與直徑的準確測量。
(5) 明確了修約規則，即保留3位有效數字，如98.2HBW，220HBW。
(6) 將原資料性附錄B修改為規范性附錄，本條同(2)。
(7) 修改了硬度值測量不確定度相關內容，即資料性附錄C，不涉及技術內容變動。
結束語
隨著修改采用ISO國際標準的洛氏硬度試驗標準GB/T 230.1-2018與布氏硬度試驗標準GB/T 231.1-2018的頒布實施，我國硬度試驗能力已與ISO 6508-1：2016(洛氏硬度試驗)以及ISO 6506-1：2014(布氏硬度試驗)迅速接軌。其中，兩部新標準都特別強調了對測量結果有效性與溯源性的技術要求，表現為標準中對壓頭計量特性的檢查以及對硬度計標準塊檢查所包含的示值再現性與可重復性的檢查等內容。
為滿足我國基礎材料研發以及鋼鐵冶金工業高質量發展的要求，建議國產硬度計制造企業與力學檢測實驗室及校準實驗室加強交流、緊密合作，以適應硬度試驗這一傳統技術與時俱進的新要求。
來源：理化檢驗
