常用硬度检测方法及其在钛合金中的应用

张 娟, 李 鹏, 许 飞, 田晨超

(西北有色金属研究院 材料分析中心, 西安 710016)

常用硬度检测方法及其在钛合金中的应用

张 娟, 李 鹏, 许 飞, 田晨超

(西北有色金属研究院 材料分析中心, 西安 710016)

硬度的测定是材料在力学性能研究中最简便、最常用的一种方法，可以在各种形状和尺寸的试件上进行试验，不需要特别试样，并且与材料抗拉强度有近似的正比关系.通过汇总前人的研究结果，对比了布氏、洛氏、维氏、努氏、韦氏、巴氏、肖氏、里氏几种常见硬度的测试方法、应用范围及特点，对于最常用的布氏、洛氏、维氏简述了测试原理、计算公式、执行标准及这3种硬度值之间的换算方法.还简述了硬度在钛及钛合金中的应用情况，并列出了常用的钛合金的硬度情况.

硬度测试；布氏硬度；洛氏硬度；维氏硬度；钛合金

硬度是评定金属材料力学性能最常用的指标之一.硬度的实质是材料抵抗另一较硬材料压入的能力，广泛应用于金属性能检验、热处理工艺质量监督和新材料的研制.金属硬度检测主要有两类试验方法.一类是静态试验方法，这类方法试验力的施加是缓慢而无冲击的.硬度的测定主要决定于压痕的深度、压痕投影面积或压痕凹印面积的大小.静态试验方法包括布氏、洛氏、维氏、努氏、韦氏、巴氏等.其中布、洛、维三种试验方法是应用最广的，洛氏硬度试验又是应用最多的，据统计，目前应用中的硬度计70%是洛氏硬度计.另一类试验方法是动态试验法，这类方法试验力的施加是动态的和冲击性的，主要包括肖氏和里氏硬度试验法.动态试验法主要用于大型的、不可移动工件的硬度检测.表1列出了常用硬度测试方法的相关信息.

表1 常用硬度测试方法[1-29]

注：(1)锥角为120°的金刚石圆锥体；(2)直径为1.588 mm的淬硬钢球；(3)两相对面间夹角为136°的金刚石四棱锥体；(4)对面角分别为172.5°及130°的四角棱锥金刚石压头.

本文针对最常用的洛氏、布氏、维氏硬度三种测试方法的原理及特点做简单的介绍和分析，并介绍典型的钛及钛合金的硬度范围及特点.

1 洛氏、布氏、维氏硬度测定原理和方法

1.1 洛氏硬度

洛氏硬度试验由美国S.P.Rockwell和M.Rockwell于1919年提出，是最常用的硬度试验方法之一.

如图1所示，采用金刚石圆锥体(锥角为120°)和采用淬火钢球(直径为1.588 mm)做压头，加预载荷P0，得压痕深度h0，再加主载荷P1，压痕深度增量为h1，P1卸除后，得到压痕深度残余增量e，用一个常数k减去e来表示硬度值以符合数值愈大硬度愈高的习惯，并规定每0.002 mm为一个硬度单位[27].

(1)

主要执行标准有：GB 230.1-2009[30]等.

由于洛氏硬度试验所用载荷较大，不宜用来测定极薄工件等硬度，常用表面洛氏硬度试验方法，其原理与一般洛氏硬度试验方法相同，区别在于该法所使用的金刚石圆锥压头和表盘指示器更为精密；其初始载荷减为3 kgf，总载荷分别减为15、30和45 kgf.

图1 洛氏硬度试验原理

图2 布氏硬度试验原理

1.2 布氏硬度

布氏硬度试验是1900年由瑞典J.B.Brinell提出的，也是最常用的硬度试验方法之一.原理为将直径为D的淬火钢球或硬质合金球以一定的载荷F压入试样表面，经过规定的保持时间后卸除载荷，测量压痕直径(图2)，按公式(2)计算硬度值.

(2)

主要执行标准有：GB/T 231.1-2009[31]等.

工厂日常检验大锻件、大铸件和钢材时，为了免除切取试样，可采用锤击式简易布氏硬度计，如图3所示，按公式(3)计算硬度值.

(3)

该方法执行标准JJG 411-1997[32].

1.3 维氏硬度

维氏硬度是1925年由英国的R.L.Smith和G.E.Sandland提出的.维氏硬度测定原理基本上和布氏硬度相同(图4)，所不同的是维氏硬度采用了锥面夹角为136°的金刚石四方角锥体.这时由于压入角φ恒定不变，使得载荷F改变时，压痕的几何形状相似.因此，理论上任意载荷下硬度值相同，这是维氏硬度试验最主要的特点.

(4)

主要执行标准有：GB/T4340.1-2009[33]等.

维氏硬度试验按试验力大小的不同，细分为3种试验，即：维氏硬度试验、小负荷维氏硬度试验和显微维氏硬度试验.显微硬度应用非常广泛：测定金属及合金中各组成相的硬度，可研究金属表面层性能，研究晶粒内部不均匀性等.显微硬度易受到试样表面层的影响，因此应按金相试样制备，最好采用电解或化学抛光以排除加工硬化的影响.

图3 锤击式简易布氏硬度计

图4 维氏硬度试验原理

2 洛氏、布氏、维氏硬度之间的相互换算

黑色金属的硬度转换目前可以参照相关的标准[34]，同时对于常用硬度值之间的转换，也有研究[35-36]参考标准中数据回归或推导出了换算公式，见表2.

表2 常用硬度换算方法[37]

3 典型钛及钛合金的硬度

在普通的钛及钛合金棒材标准中，例如GB/T 2965-2007、GJB2218A-2008、GJB1538A-2008中，并未将硬度作为验收标准，而在要求较高的发动机及锻件标准中，例如GJB2744A-2007、GJB494A-2008，则要求硬度作为验收依据，钛及钛合金的硬度值较低.因此，通常检测布氏硬度或洛氏硬度.

对于设计单位来说，硬度数据是必不可少的参考值，因此在新材料开发时，往往将各种状态的硬度数据进行测试并汇编成册，作为设计的依据.表3列出了典型钛及钛合金的硬度值.

表3 典型钛及钛合金的硬度值[39]

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[责任编辑 马云彤]

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

陕西省科技资源开放共享平台项目(2016FWPT-11)

张 娟(1981—)，女，四川成都人，西北有色金属研究院材料分析中心工程师，硕士，主要从事材料物理学力学性能研究.

TG146.23

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