热处理分厂零部件硬度检测方法.docx

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热处理分厂零部件硬度检测方法

热处理零部件的硬度及检测方法

前言

在设计制造柴油机时，要使用各种材料。

我们知道材料的机械性能是零件的设计和选材时的主要依据。

设计的零件受到的外加载荷性质不同（例如拉伸、压缩、扭转、冲击、循环载荷等），对材料的机械性能要求也不同，零部件的材料按外加载荷设计要求确定。

然后，零部件和材料一般都要进行冷、热加工，如铸造、锻造、切削加工、焊接、热处理等，才能达到零部件的机械性能和使用性能。

常指的机械性能包括：

强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳极限等。

而硬度与强度、塑性、冲击韧性和疲劳极限等之间有相应关系，通过硬度检测可反映零部件的机械性能。

因为硬度值是由起始塑性变形抗力和继续塑性变形抗力决定的，材料的强度越高，塑性变形抗力越高，硬度值也就越高，耐磨性也越好。

而硬度检测不仅方便、快捷，一般还不损伤零部件功能，因而得到广泛应用。

因此硬度指标成为零部件设计技术要求中的主要要求之一。

一.机械设计采用的主要硬度标准及检测

硬度----是表示材料抵抗硬物体压入其表面的能力。

它是金属材料的重要性能指标之一。

一般硬度越高，耐磨性越好。

根据试验方法和适用范围不同，常用的硬度为：

洛氏硬度（HR）、布氏硬度（HB）、维氏硬度（HV）和邵氏硬度（邵尔），以及里氏硬度（HL）。

实践证明，金属材料的各种硬度值之间，硬度值与强度值之间具有近似的相应关系。

因为硬度值是由起始塑性变形抗力和继续塑性变形抗力决定的，材料的强度越高，塑性变形抗力越高，硬度值也越高。

但强度：

材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力。

主要分：

抗压强度、抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度应当说，硬度反映的是材料的表面属性，强度则是材料整体的属性

下面我们将常用的硬度标准和检测试验方法作一介绍。

（一），洛氏硬度（HR）

1，洛氏硬度试验方法

洛氏硬度试验是现今所使用的几种压痕硬度试验之一，洛氏硬度试验操作简单，测量迅速，可直接读取硬度值，工作效率高。

洛氏硬度试验采用了3种压头，6种试验力，根据钢铁材料、有色金属和非金属材料，硬度范围的不同，共有18个标尺可供选择，可以测试从很软到很硬几乎全部常见的钢铁材料、有色金属和非金属材料。

普通洛氏硬度可检测淬火钢、回火钢、退火钢、表面硬化钢、各种厚度的板材、铸铁、铸钢、硬质合金材料、粉末冶金材料、热喷涂层的硬度。

表面洛氏硬度用于测试薄板金属、薄壁管材、表面硬化钢和小零件的硬度。

塑料洛氏用于测试塑料、人造木板的硬度。

洛氏硬度试验由于试验力较小，压痕也小，特别是表面洛氏硬度试验的压痕更小，对大多数工件的使用无影响，可直接测试成品工件。

洛氏硬度试验采用初试验力，使得试样表面轻微的不平度对硬度值的影响较小，适于对成批加工的成品或半成品工件进行逐件检测。

因此，应用范围十分广阔。

在工业生产中广泛应用，成为检验产品质量，确定合理加工工艺的主要手段。

2，洛氏硬度试验原理：

洛氏硬度（HR）用有一定顶角（120°）的金刚石圆锥体压头或一定直径D的淬硬钢球，在一定负荷力P作用下压入试件表面，保持一段时间后卸去载荷，试件表面留下一定深度的压痕（压坑越深，硬度越低，表示的洛氏硬度值越小）。

用测量残余压痕深度增量（h）计算硬度值。

其值是个无名数，以符号HR表示，

洛氏硬度试验分为3种，一种是普通洛氏硬度试验，一种是表面洛氏硬度试验和塑料洛氏硬度试验。

普通洛氏硬度试验采用120°金刚石圆锥和φ1.587mm、φ3.175mm钢球三种压头，采用60Kg（588.4）,100Kg（980.7N）,150Kg（1471N）三种试验力，它们共有九种组合，普通洛氏硬度的九个标尺是：

即HRA、HRB、HRC、HRD、HRE、HRF、HRG、HRH、HRK。

表面洛氏硬度试验采用120°金刚石圆锥和φ1.587mm钢球二种压头，采用15kg（147.1N）、30kg（294.2N）、45kg（441.3N）三种试验力，它们共有六种组合，表面洛氏的六个标尺是：

即HR15N、HR30N、HR45N、HR15N、HR30T、HR45T。

塑料洛氏硬度试验采用φ3.175mm、φ6.35mm、φ12.7mm钢球三种压头，采用60Kg（588.4）,100Kg（980.7N）,150Kg（1471N）三种试验力，它们共有5种组合，塑料洛氏的五个标尺是：

HRE、HRL、HRC、HRM、HRR.。

洛氏硬度试验共计18种洛氏硬度。

洛氏硬度值的测定原理：

洛氏硬度试验原理如下图

1—在初试验力F0下的压入深度；

　　2—在总试验力F0+F1下的压入深度；

　　3—去除主试验力F1后的弹性回复深度；

　　4—残余压入深度h；

　　5—试样表面；

　　6—测量基准面；

　　7—压头位置

在规定的初试验力（F0）下，将压头（金刚石圆锥、钢球或硬质合金球）压入试样表面

（1），再加主试验力（F1）将压头继续压入试样

（2）。

按规定停留时间停留后，卸除主试验力，弹回（3），在初试验力下测量压痕残余深度h（4）。

以压痕残余深度ｈ代表硬度的高低。

采用一个常数c减去h来表示硬度的高低。

普通洛氏硬度每0.002mm；表面洛氏硬度每0.001mm的压痕深度为一个硬度单位。

由此获得的硬度值称为1个洛氏硬度值，用符号HR表示。

洛氏硬度值HR为一无名数。

洛氏硬度值按下式计算：

HR=N-h 

式中

　　N－常数，对于A、C、D、N、T标尺，N=100；其他标尺，N=130；　　h－残余压痕深度，mm；

　　HR－洛氏硬度。

（洛氏硬度单位为：

普通洛氏硬度，压痕深度1HR=0.002mm；对于表面洛氏硬度，压痕深度1HR=0.001mm）。

　普通洛氏硬度标尺

洛氏硬度标尺

硬度

符号

压头类型

初试验力

F0（N）

主试验力

F1（N）

总试验力

F0+F1（N）

适用范围

A

HRA

120°金刚石圆锥

98.07

490.3

588.4

20～88HRA

B

HRB

1.5875mm钢球

98.07

882.6

980.7

20～100HRB

C

HRC

120°金刚石圆锥

98.07

1373

1471

20～70HRC

D

HRD

120°金刚石圆锥

98.07

882.6

980.7

40～77HRD

E

HRE

3.175mm钢球

98.07

882.6

980.7

70～100HRE

F

HRF

1.5875mm钢球

98.07

490.3

588.4

60～100HRF

G

HRG

1.5875mm钢球

98.07

1373

1471

30～94HRG

H

HRH

3.175mm钢球

98.07

490.3

588.4

80～100HRH

K

HRK

3.175mm钢球

98.07

1373

1471

40～100HRK

表面洛氏硬度标尺

表面洛氏

硬度标尺

硬度

符号

压头类型

初试验力F0（N）

主试验力F1（N）

总试验力

F0+F1（N）

适用范围

15N

HR15N

120°

金刚石圆锥

29.42

117.7

147.1

70～94HR15N

30N

HR30N

264.8

294.2

42～86HR30N

45N

HR45N

411.9

441.3

20～77HR45N

15T

HR15T

1.5875mm

钢球

29.42

117.7

147.1

67～93HR15T

30T

HR30T

264.8

294.2

29～82HR30T

塑料洛氏硬度标尺

塑料洛氏标尺

HRE,HRL,HRC,HRM,HRR

初试验力

10Kg（98.0N）

总试验力

60Kg（588N）,100Kg（980N）,150Kg（1471N）

压头

φ3.175、φ6.35、φ12.7mm钢球

3，洛氏硬度计及操作简介

下图为手动洛氏硬度计

手动洛氏硬度计的操作顺序：

1），试验时按洛氏硬度的标尺选用压头和试验力。

小心安装上硬度计压头。

2）， 实验时将试样放在工作台上，试样对准压头。

然后，按顺时针方向转动手轮，使工作台上升至试样与压头接触（注意：

靠近压头时应缓慢上升工作台，不得冲击压头）。

3），继续转动手轮，带动指示器表盘的指针转动，小指针从黑点对准红点后停止转动手轮，随后转动指示器表盘使大针对准“0”。

4），向前搬动加卸试验力的手柄，加载荷，停留5-7秒。

5），向后扳回加卸试验力的手柄，卸载，这时指示器指针所指示的读数即为所求的硬度值。

4.洛氏硬度选用标尺的原则

A标尺采用金刚石压头，60kg的载荷，测量范围为20~88HRA。

适用于测定坚硬或薄硬材料的硬度。

如硬质合金、渗碳后淬硬钢、经硬化处理的薄钢带、薄钢板等。

C标尺采用金刚石压头，150kg的载荷，测量范围为20～70HRC。

当试样硬度低于20HRC时，金刚石压头压入试样过深，由于压头几何形状所造成的误差增大，测量结果不准确，一般要选用B标尺；当试样硬度大于70HRC时，压头尖端产生的压力过大，金刚石容易损坏，一般采用检测力较小，压入很深度较小的A标尺。

适应于炭钢、工具钢及合金钢等经过淬火及回火处理的试样的硬度试验。

B标尺采用钢球压头，100kg的载荷，硬度范围为20～100HRB，当试样硬度小于20HRB时，多数情况下金属开始蛹变，变形延续很长时间，测量结果不容易准确；当试样硬度大于100HRB时，由于钢球压头可能变形，以及压入深度太小．影响精确测量，均可能造成误差。

用来测量有色金属、合金及退火钢等低硬度零件的硬度。

5.洛氏硬度检测的注意事项

（1）试样的表面应光滑平整，不应有氧化皮及污物，尤其不应有油脂。

试样表面应能保证压痕直径的精确测量，表面粗糙度只Ra一般不应低于0.80um

（2）试样的厚度至少应为压痕深度的10倍，两压痕中心距至少为压痕直径的4倍，不小于2mm

（3）每个试样上的检测点数不少于四点（第一点不记），大批量检测可适当减少。

（4）对圆柱面和球面上测得洛氏硬度值，应进行修正

6.洛氏硬度检测特点及适用范围

1）洛氏硬度检测操作简便，迅速，工作效率高。

2.由于使用检测力小，产生的压痕比布氏硬度检测的压痕小，因而对制件表面没有明显的损伤。

3.由于使用金刚石压头和两种直径的钢球作为压头，有三种检测力共计九中标尺，可以测量从较软到较硬材料的硬度，使用范围广。

4.再者有预检测力，所以试样表面轻微的不平度对硬度值的影响比布氏、维氏小。

因此，适用于成批生产大量检测的机械、冶金热加工过程中以及半成品或成品的检验。

特别适用于刃具、模具、量具、工具等成品的检测。

（二），布氏硬度（HB）

1，布氏硬度试验方法

布氏硬度试验也是现今所使用的几种压痕硬度试验之一，布氏硬度计多用于测定未淬火钢、铸铁、铸钢、有色金属及质地较软的轴承合金等的硬度。

由于压痕较大，多用于原材料和半成品的检测，一般不用于成品检测。

布氏硬度试验时，条件要进行选择，即试验力P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。

　布氏硬度试验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，布氏硬度值是通过压痕直径查表得到。

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。

布氏硬度与材料的抗拉强度之间存在一定关系，这在生产过程控制中，有较大意义。

在实际工作中有时（特别是在铸件生产中）通过检查布氏硬度来控制产品的质量（抗拉强度）。

布氏硬度与材料的抗拉强度之间的近似关系如下：

σb≈KHB

式中

K------系数，例如对于低碳钢有K≈0.36，对于高碳钢有K≈0.34，对于调质合金钢有K≈0.325，…等等。

2，布氏硬度试验原理：

布氏硬度试验是用一定的试验力如：

187.5kg\250kg\3000kg等载荷把一定直径，通常为Φ2.5mm,Φ5mm,Φ10mm,和Φ1mm四种尺寸的钢球或硬质合金球压入材料表面，保持一段时间，去载后，在试件表面将会留下球表面积为F的压痕，以试件的单位表面积上能承受负荷的大小表示布氏硬度。

公式如下：

HB=P/S。

式中

P----压力；（N）

S----球形表面积。

（mm2）

以试样压痕球形表面积上的单位压力来表示布氏硬度值，即为：

布氏硬度（HB），单位为N/mm2（MPa）。

在实际应用中，通常直接测量压坑的直径，并根据负荷P和钢球压痕直径d从布氏硬度数值表上查出布氏硬度值（显然，压坑直径越大，硬度越低，表示的布氏硬度值越小）。

工作原理见下图：

3，布氏硬度计及操作简介

1），根据被测物体种类和所估计的硬度，按下表选择压头、试验力和试验力保持时间。

布氏硬度值范围HB

试样厚度mm

0.102F/D2

球直径D

mm

试验力

KN（kgf）

试验力保持时间s

140-450

6~3

4~2

<2

30

10.0

5.0

2.5

29.42（3000）

7.355（750）

1.839（187.5）

12

<140

>6

6~3

10

10.0

5.0

9.087（1000）

2.452（250）

12

注意：

（1），试验后压痕直径的大小应在下列范围内：

0.24D

如不符合上述条件时，试验结果认为无效，此时应选择相应的试验力重新作试验。

（2），压痕中心至试样边缘的距离应不小于压痕直径的2.5倍，两压痕中心相邻距离应不小于压痕直径的4倍。

试验硬度小于35HB的金属时，上述距离分别为压痕直径的3倍和6倍。

2），以上工作准备就绪后，将试验件平稳地放置于试验台上，保证压头轴线与试样或试件的试验平面垂直。

此时转动手轮，使试台缓慢上升，试样与压头接触直至手轮与螺母产生相对滑动，然后打开电源开关，接通电源，电源指示灯燃亮;按动启动按钮开始进行试验，硬度计即可自动完成一个工作循环。

试验过程中试验力加卸应平稳、无冲击、无震动。

3），电源指示灯熄灭后，试验结束。

反向转动手轮，取下试样，用读数显微镜测量试样表面的压痕直径，将测得的压痕直径通过查表，得出试样的布氏硬度值。

（三），维氏硬度（HV）

1，维氏硬度试验方法

维氏硬度试验也是一种压痕试验方法。

由英国科学家维克斯首先提出。

是将一个相对面夹角为136°的正四棱锥体金刚石压头以选定的试验力（F）压入试验表面，经规定保持时间后卸除试验力，测量压痕两对角线长度。

维氏硬度法可用于测定很薄的金属材料和很薄的表面层硬度。

它具有布氏、洛氏法的主要优点，而克服了它们的基本缺点。

优点：

硬度值与试验力的大小、压头大小、无关。

只要是硬度均匀的材料，可以任意选择试验力，其硬度测量结果不变。

这就相当于在一个很宽广的硬度范围内具有一个统一的标尺。

这一点比洛氏硬度试验优越；维氏硬度试验可以用低负荷和小压痕得到可靠的硬度值，这样能减少材料破坏，或用于薄小的材料试验。

这一点上要优于布氏硬度。

维氏硬度计测量范围宽广，可以测量目前工业上所用到的几乎全部金属材料，从很软的材料（几个维氏硬度单位）到很硬的材料（3000个维氏硬度单位）都可测量。

缺点：

不如洛氏法简便。

2，维氏硬度试验原理：

维氏硬度试验是将一个相对面夹角为136°的正四棱锥体金刚石压头以选定的试验力（F）压入试验表面，经规定保持时间后卸除试验力，测量压痕两对角线长度（l1、l2）。

压痕如下图：

左图是压痕的投影，l1和l2为压痕对角线长；右图为金刚石压头的侧视图，其相对面夹角为136°。

维氏硬度值是试验力除以压痕表面积所得之商，其计算公式为：

HV=0.1891×（F/d2）

式中：

HV--维氏硬度符号，N/mm2（MPa）；

F---试验力，N；

d---压痕两对角线的算术平均值，mm。

在实际应用中，通常直接测量金刚石压痕的对角线平均长度，并根据试验力F和金刚石压痕的对角线平均长度d从维氏硬度数值表上查出维氏硬度值。

3，维氏硬度计及操作简介

下图为维氏硬度计

维氏硬度计操作简介

 1）、试验前的准备工作

（1）在没装试件时启动，检查各部机构的动作情况，然后用标准维氏硬度块检查示值精度。

（2）试样的准备：

试件表面应平滑；试件制作时，用0号砂纸加以磨光或研光。

 （3）试台的选择：

能保证试件平稳地置放其上，并使表面与压头垂直。

 （4）试验力的选择：

根据试件的厚度、预计硬度及硬化层的深度来选择试验力。

 2）、试验操作程序

（1）将手柄推至试验力卸除位置；

（2）转动手轮使其对准已选好的试验力值；

 （3）向左转动转动头座使压头转到试台中心位置；

 （4）将试件放到已选取好的试台上，旋转手轮升起试台，至试件与保护套接触为止；

 （5）向前拉动手柄，使试验力加到试件上，保持一段时间后，卸除试验力；

 （6）指示灯熄灭后，转动手轮，使用权试件脱离金刚石压头；

 （7）向右转动转动头座，使物镜对正压痕并转动手轮使试件处于显微镜聚焦面；

 （8）旋转测微显微镜。

测量压痕的两个方向对角线长度，取其平均值即为压痕对角线长度；

 （9）根据压痕对角线长度和所用的试验力，在换算表中查出硬度值；

（四），里氏硬度（HL）

1，里氏硬度试验方法

1978年，瑞士人Leeb博士首次提出了一种全新的硬度相同方法，里氏硬度试验方法。

它是将具有一定质量的冲击体在一定的试验力作用下冲击试样表面，测量冲击体距试样表面一定距离处的冲击速度与回跳速度。

里氏硬度测试技术是国际上继布、洛、维、之后新发展的一种技术，在国际上的普及程度越来越广

里氏硬度相同方法属动载测试法 ，考察的是冲击体反弹与冲击的速度，通过速度修正，可在任意方向上使用，极大地方便了使用者。

里氏硬度计体积小、重量轻，便于现场硬度检测，里氏硬度计的硬度传感器小如一只笔，可用手直接操作，无需工作台，无论是大、重型工件，还是几何尺寸复杂的工件，都能容易地检测。

里氏硬度测试简便，快速，适于检测硬度范围很宽的金属材料。

里氏硬度试验要求试样有一定的质量和厚度，不适于测试小工件。

主要用于在现场快速测试大型的、组装的、不便移动的、不允许切割试样的工件，用于测试大型模具、大型锻造件、铸造件，可以灵活地测试大型工件不同部位的硬度，它是大型工件硬度测试上非常有效实用的检测手段。

2，里氏硬度试验原理：

它的基本原理是具有一定质量的冲击体在一定的试验力作用下冲击试样表面，测量冲击体距试样表面1mm处的冲击速度与回跳速度，利用电磁原理，感应出与速度成正比的电压。

里氏硬度值以冲击体回跳速度与冲击速度之比来表示。

计算公式：

HL=1000×（VB/VA） 

    式 中：

HL——里氏硬度值; 

           VB——冲击体回跳速度, m/s;

           VA——冲击体冲击速度,m/s.

3）里氏硬度计及操作简介

里氏硬度计如下图

里氏硬度计操作简介

●　里氏硬度计测试前的准备

现场测试：

1.到现场后，首先要确认工件的温度是否是在常温状态下，因为硬度计的工作条件为0-40度左右，有些工件刚退火或者刚切削完，这是不能马上检测，会对硬度计造成伤害，对硬度值也有影响。

前2年，我们单位给某液化气站的气罐检修时，焊缝刚退完火，没彻底冷却，就立马上硬度检测，结果硬度计没搞2下，数据都乱套了。

2.对工件周围的环境要看下，有没有强磁场、腐蚀性介质、振动敲击和粉尘飞扬，这些都不利于硬度的检测。

比如振动吧，你在这边测，他在另一头敲工件，这样打出来的硬度值高低不等，不准确。

腐蚀性介质和粉尘对硬度计都有伤害。

3.由于工件的测试部位表面有油污、氧化皮、车削或冷加工等状态时要进行打磨，清理，被测面应达到露出金属光泽面，平整，光滑。

打磨工具一般可用角向磨光机（手砂轮）、平锉或砂纸等。

表面的处理很重要，搞的不好会影响硬度数据，那么你一般可以采用角向磨光机磨制，比较快，磨制后，可用砂纸稍微打磨即可，操作方便。

4.开始测试，根据测试的工件材质，选择与硬度计上相应的材质，然后选择测定次数，现在一般都是一个测试面测3点。

选择硬度制，是布氏，洛氏、维氏还是里氏，还要选择硬度的冲击方向。

硬度的冲击方向的选择是很关键的

不同的方向，测出的硬度值是不一样的，我们有时候再测试中，往往是测定不同方向时忘记选择硬度计上的方向，结果就造成了硬度值的偏差。

比如现在应该测的方向是

而硬度计上却显示的是

并没更改，结果可想而知，所以在现场硬度测试中，这点要特别注意的。

5.硬度测试完后，应立即关闭电源，然后取下冲击装置，用软布擦净，收好

这时你也可以根据硬度计主机的用电显示情况给其充电，这样在每次使用时就确保了电量的充足。

1），为了减少被测物体的表面粗糙度对测量数值的影响，被测物体表面应比较光滑，表面粗糙度Ra值最好不超过2μm，被测物体表面应该干净而且无油污。

2），测试时被测物体的支承。

如被测物体质量在5kg以上的话，便无需支承。

质量在2～5kg试件，有悬伸部分的试件及薄壁试件测量，可使用质量大于5kg的物体牢固地将其支承,这样可以避免冲击力引起试件的弯曲变形和移动,使得测量值飘移。

当试件为大面积板材、长杆、弯曲工件时，即使质量、厚度较大，但仍有可能引起试件变形和失稳，导致测验值不准，故在测试点背面应加固或支撑。

被测物本身不能带磁性。

3），测试内外圆柱和内外球面时要使用支承环。

●　里氏硬度计测试操作步骤

1），设好所需要测量的参数

2），加载：

左手执机，液晶面板面向测试者，用右手拇指和食指夹住两侧的加载键，向下压直到抓到冲击体为止，然后再慢慢恢复到初始位置。

3），用右手的手指压下释放按钮来释放冲击体。

注意：

在整个测试过程中，硬度计均要保持稳定，不能摆动。

4），冲击体打到试件表面后，即可移开硬度计，读出测试数据，然后再测另一个数，直到求出平均值为止。

二.热处理质量检验工作的几点规定

热处理零件均应根据图纸要求和工艺规定进行硬度检验或抽检。

1.先以标准块校对硬度计，确认后方可进行测试硬度。

1.检验硬度前，应将零件表面清理干净，去除氧化皮，脱碳层及毛刺等且表面不应有明显的机加工痕迹，达到平整，光滑。

打磨工具一般可用角向磨光机（手砂轮）、平锉或砂纸等。

被测零件的温度以室温为准，或略高于室温但以人手能稳稳抓住为限。

3检验部位

3.1硬度检测部位应有代表性。

其中，零件的工作部位或能反映工作部位硬度的其它部位一般应作为检验部位。

3.2检验部位应具备硬度测量条件，能够用规定的硬度计准确、方便的测量。

3.3被检面应尽量选择平面。

3.4用硬度计或标准锉刀对零件进行非破坏性检验时，应注意检验部位的选择，保证其压痕或锉痕不影响零件的最终质量。

3.5热处理分厂自制件一般应根据工艺文件或由检验、工艺人员确定。

4.检测点数

4.1对每一待检件的检测点数一般应不少于3个点。

若待检件有多处检验部位时，其每一部位的检测点数应按有关规定。

4.2每一待检件的正式测量前，一般应先试测1个点，该点不记录检测点数。

4.3对微型件的检测