物理检验基础知识(硬度)

钢材物理检验交流物理检验：不产生新物质的变化是物理变化。

我们这里只是涉及到分子层次的结构和性能检验。

物理检验分类：金相检验（包括宏观低倍检验）、性能检验、无损探伤检验。

我们探伤是独立检验分支。

所以我们平时所说的物理检验经常只包含宏观低倍、金相、性能检验，热处理是这几项检验的前期保障手段。

所有物理检验项目一般均为抽样检验，取样方法在供需双方技术协议或相应的检验方法中规定。

物理检验程序：A.技术条件、试验方法或检验规程的查阅：依据的顺序合同、条件、试验方法。

B.试样的选取和验收C.试样的制备D.试样的检验E.检验结果的记录和报出一、金相检验概述1、金相检验的定义:应用肉眼和放大镜及金相显微镜、Ｘ光、电子显微镜等手段，来观察研究各种金属组织结构和各种缺馅，鉴别材料优劣，确定用途及新产品研制等试验研究工作，称为金相检验。

2、金相检验分为两部分：第一部分是宏观检验，用肉眼和放大镜及低倍显微镜来观察检验各种金属组织和各种缺馅，称为低倍检验。

低倍组织检验又称宏观检验是用肉眼和放大镜及体式显微镜来检查钢材的纵、横断面或断口上各种宏观缺陷的一种方法。

通过宏观检验在发现钢中缺陷同时还可以观察钢材组织的不均匀性。

第二部分是微观检验，利用金相显微镜、Ｘ光、电子显微镜等手段，来观察各种金属不同状态的显微组织结构和各种缺馅，称为高倍检验。

3、金相检验的地位和作用。

金相检验是根据有关规定和标准钢材内在组织的结构进行评价的一种常见的检验方法，可用来判断不明材料类别、钢材生产工艺是否完善和热处理状态、寻找材钢材产生缺陷的原因等多个方面。

物理冶金学的主要任务是研究金属及合金的组织、成分和它们的性能之间的关系，组织和成分是研究的基础，直接决定它们的性能，在此研究中我们需要首先搞清楚这些物质的内部结构，这就是金相检验。

二、机械性能检验概述：1、什么是机试对于钢材来说机试就是钢材的机械性能试验和检测。

金属材料机械性能，教科书上常称为金属材料力学性能，即金属材料在不同的环境中，抵抗不同的外力作用，而显示出的不同力学性能。

2、机试检测数据的意义由于钢材具有强度高，硬度高，韧性好，易加工，加工精度高等优点，被广泛应用于航空航天、汽车、机械制造等领域。

在机械设计时钢材的机械性能是必不可少的考虑因素，而且往往是最主要的因素。

宇航结构设计时，对重量不是“斤斤计较“，而是“克克计较”。

这就提出金属材料力学性能必须数据准确可靠，由此可见，金属材料力学性能测试及其数据的重要性。

3、最经典的力学性能四大指标是什么？金属材料力学性能中的强度、塑性、冲击、硬度是最古老、最经典的四大力学性能指标。

今天，这四大指标仍然是金属材料力学性能测试的基础。

而且在一般结构件中仍然具有重大的使用价值。

a 强度：金属材料抵抗变形的能力，也称金属材料变形抗力。

有抗拉断强度、屈服强度、微变形强度等。

b 塑性：金属材料在外力作用下产生永久变形的能力。

如伸长率、断面收缩率等。

c 韧性：是强度和塑性的综合表现，是材料塑性变形到断裂整个过程所耗散的功，只有强度和塑性都高的材料才具有最高的韧性。

冲击韧性：金属材料在冲击负荷作用下，抵抗变形和破断的能力。

如冲击功和冲击值。

d 硬度：金属表面上不大体积内抵抗变形和破裂的能力。

如布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、肖氏硬度等。

三、热处理概述1概述：为了提高冶炼后钢材的使用性能（硬度、强度、韧性等），通常采用的办法是对钢材进行热处理。

因为冶炼后钢材的化学成分已经固定，此时其性能取决于钢的内部组织结构，而热处理正是影响钢的组织结构的一种工艺。

对钢材进行正确地热处理，能提高钢材的性能，使它能够在各种不同的条件下使用。

事实上，绝大多数机械零部件都是经过了热处理这一工艺过程的。

1.1热处理定义：热处理就是通过加热、保温、冷却的操作方法，来改变钢的内部组织，以获得预期的性能（如提高钢的强度、硬度等）的一种工艺。

1.2热处理分类：表面淬火是利用特定的热源把工件表面加热至奥氏体，随即快速冷却，使其转变为马氏体，然后进行低温回火的处理方法；表面化学处理是把工件置于化学活性介质中，加热到一定温度，使钢的表面层被某种元素渗入的处理方法。

这两者都是用来提高工件表面的硬度、耐磨性、抗腐蚀性或其他特殊性能，而工件心部仍能保持较高的塑性和韧性，如齿轮、发动机曲轴、钢轨等。

我们在今后的工作过程中，接触的主要是普通热处理工艺。

退火表面化学处理 正火 淬火回火 表面淬火下面主要介绍机械性能检验中的硬度试验方法一、硬度的基本含义，其物理意义及使用价值。

钢材的硬度是指钢材或试样表面上不大体积内抵抗变形或破裂的能力，是衡量金属材料软硬的一个指标。

其物理意义随着试验方法不同，含义也不同。

例如压入法的硬度值是材料表面抵抗另一物体压入时所引起的塑性变形的能力；刻划法硬度值表示金属抵抗表面局部切断破坏的能力；而回跳法硬度值是代表金属弹性变形功的大小。

因此硬度值实际上不是单纯的物理量，而是表征着材料的弹性、塑性、形变强化、强度和韧性等一系列不同物理量组合的一种综合性能指标。

硬度试验方法简单易行，不必破坏工件，适用于成批检验，已成为成品质量检查、制定合理工艺等重要试验方法之一。

硬度试验方法按加载方式可分为压入法和刻划法。

在压入法中根据加荷速度不同，又分为静负荷压入和动负荷压入两种。

在生产上使用最广泛的是静负荷压入法硬度试验。

即布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度。

动负荷压入法有里氏、肖氏硬度。

莫氏硬度为刻划法，它适用于陶瓷和矿物材料。

二、静载荷压入法1、布氏硬度试验方法1.1布氏硬度计原理用一定直径的钢球或硬质合金球，以规定的试验力压入式样表面，经规定保持时间后卸除试验力，测量试样表面的压痕直径。

布氏硬度值是以试验力除以压痕球形表面积所得的商。

以H BW（硬质合金球）表示，单位为N/mm2(MPa)。

测定布氏硬度较准确可靠，但一般HBW只适用于450N/mm2（MPa）以下的金属材料，对于较硬的钢或较薄的板材不适用。

布氏硬度试验系用一定直径的硬质合金球，以规定负荷压入试验金属表面，经规定保荷时间后卸除负荷，并测量试样表面的压痕直径，计算出布氏硬度值。

10mm的压头，3000kg力是经常使用的。

图3 布氏硬度压痕布氏硬度值是以试验的试样上钢球压痕球形面积所承受的平均压力（Ｎ／ｍｍ2 ）表示，计算公式如下：HB＝2F／（π×D（D－√D2 －ｄ2 ））式中：Ｆ－通过压头加在试样上的负荷（Ｎ）D－压头直径（ｍｍ）ｄ－压痕直径（ｍｍ）ｈ－压痕深度（ｍｍ）1.2布氏硬度计的优缺点：优点：由于通常压痕面积较大，代表性好，它的试验数据稳定，重现性好，精度高于洛氏，低于维氏。

此外布氏硬度值与抗拉强度值之间存在较好的对应关系。

缺点：布氏硬度试验的缺点是压痕较大，成品检验有困难，试验过程比洛氏硬度试验复杂，测量操作和压痕测量都比较费时，并且由于压痕边缘的凸起、凹陷或圆滑过渡都会使压痕直径的测量产生较大误差，因此要求操作者具有熟练的试验技术和丰富经验，一般要求由专门的实验员操作。

1.3布氏硬度计的应用布氏硬度计主要用于组织不均匀的锻钢和铸铁的硬度测试，锻钢和灰铸铁的布氏硬度与拉伸试验有着较好的对应关系。

特别适用于测定灰铸铁、轴承合金和具有粗大晶粒的金属材料。

布氏硬度试验还可用于有色金属和软钢，采用小直径球压头可以测量小尺寸和较薄材料。

布氏硬度计多用于原材料和半成品的检测，由于压痕较大，一般不用于成品检测。

布氏硬度试验也要遇到试验条件的选择问题，即试验力F和压头球直径D的选择。

这种选择不是任意的，而是要遵循一定的规则，并且要注意试验力和压头球直径的合理搭配，应用起来比洛氏硬度试验略显复杂。

在试验力和压头球直径的选择方面需要遵循的规则有2个。

规则一：要保持采用不同的试验力和不同直径的球压头时，在同一试样上测得的硬度值是相同的，在不同的试样上测得的硬度值是可以相互比较的，那么试验力和球压头直径的平方之比要为一个常数。

即F/D2=F1/D12= F2/D22=K。

这个规则来源于相似律。

根据相似律，不同直径的球压头D1、D2在不同的试验力F1、F2作用下压入试样表面，压痕直径d1、d2是不同的，但是只要压入角相同，压痕就具有相似性。

这时试验力和压头球直径的平方之比就是一个常数。

试验力与压头球直径平方之比在采用公斤力的旧标准中表示为F/D2，在采用牛顿力的新标准中表示为0.102 F/D2规则二：试验后要使压痕直径处于以下范围：0.24D < d < 0.6D。

否则试验结果是无效的,应选择合适的试验力重新试验。

人们的大量试验表明，当压头直径在0.24D~0.6D之间时，测得的硬度值与试验力大小无关。

布氏硬度试验可选择的试验力从3000kg到1kg大约有20个级别。

2、洛氏硬度试验方法2.1洛氏硬度试验概述洛氏硬度同布氏硬度一样，是目前应用最广泛的硬度试验方法，也是压入法硬度试验。

它是测量压痕的深度，以深度的深浅表示材料的硬度值。

为了用同一种试验机可以测定从软到硬的金属材料硬度，采用了不同的压头和总负荷，组合成几种不同的洛氏硬度标度，每一种标度用一个字母在洛氏硬度符号ＨＲ后加以注明，我国常用的是HRA、HRB、HRC三种。

HRA：是采用60kg载荷和金刚石锥压入器求得的硬度，用于硬度极高的材料(如硬质合金等)。

HRB：是采用100kg载荷和直径1.58mm淬硬的钢球，求得的硬度，用于硬度较低的材料(如退火钢、铸铁等)。

HRC：是采用150kg载荷和金刚石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高的材料。

洛氏硬度的三种标尺中，以HRC应用最多，一般经淬火处理的钢或工具都采用HRC测量。

2.2HRC洛氏硬度试验：HRC洛氏硬度试验的压头采用金刚石120度夹角的园锥，负荷先后两次施加，先加初负荷Ｆ1 ，然后加主负荷Ｆ2 ，其总负荷为Ｆ（Ｆ＝Ｆ1 +Ｆ2 ）。

卸除主负荷F2后，用在初负荷Ｆ1 的残余压痕深度e(h)来确定被测金属材料的洛氏硬度值。

图4 洛氏硬度试验原理⑴金刚石压头没有和试样接触的位置。

⑵压头在初负荷Ｆ1 作用下，压入试样深度为ｈ0 的位置。

⑶压头受到主负荷Ｆ2 后，压入试样深度增量ｈ1 的位置。

⑷压头卸除主负荷后，在初负荷Ｆ1 的残余压痕深度ｅ。

用ｅ值大小来衡量材料的软硬程度。

金属越硬，压痕深度越浅，金属越软，压痕深度越深。

人为的规定一常数Ｋ减去压痕深度ｅ作为洛氏硬度值的指标。

并规定每0.002 为一个洛氏硬度单位, 用符号HR表示, 则洛氏硬度值为:HRC＝（Ｋ－ｅ）／0.002 或HRC=N－h/0.002此值为无名数，使用金刚石压头时，K＝0.2mmHRC含意是洛式硬度C标尺，如40HRC，表示用HRC标尺测定的洛氏硬度值为40。

2.3洛氏硬度的应用HRC和HB在生产中的应用都很广泛。