金屬材料及其制品洛氏硬度檢測

一、 檢測原理

洛氏硬度檢測是一種壓入法硬度測試，其原理是通過測量壓頭在特定試驗(yàn)力作用下壓入試樣表面的深度差來確定材料的硬度值。該深度差間接反映了材料抵抗塑性變形的能力。

科學(xué)依據(jù)基于金屬材料的塑性變形抗力與壓痕深度之間存在確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。洛氏硬度值（HR）的計(jì)算公式為：
HR = N - h / S
其中：

• N 為標(biāo)尺常數(shù)（對(duì)于金剛石壓頭標(biāo)尺為100，對(duì)于鋼球壓頭標(biāo)尺為130）。

• h 為卸除主試驗(yàn)力后，在初試驗(yàn)力作用下壓痕深度的殘余增量，單位為毫米（mm）。

• S 為標(biāo)尺單位，規(guī)定為0.002 mm。

檢測過程遵循明確的載荷序列：

1. 施加初試驗(yàn)力（F0）： 通常為98.07 N（10 kgf）。此力用于消除試樣表面粗糙度及輕微不平整的影響，建立深度測量基準(zhǔn)點(diǎn)。

2. 施加主試驗(yàn)力（F1）： 在初試驗(yàn)力基礎(chǔ)上，施加總試驗(yàn)力?？傇囼?yàn)力為初試驗(yàn)力與主試驗(yàn)力之和（F0 + F1）。主試驗(yàn)力使壓頭壓入材料，產(chǎn)生塑性變形。

3. 卸除主試驗(yàn)力（F1）： 保持初試驗(yàn)力，卸除主試驗(yàn)力。此時(shí)彈性變形部分恢復(fù)，而塑性變形部分保留，形成殘余壓痕。

4. 測量殘余壓痕深度（h）： 在保持初試驗(yàn)力的狀態(tài)下，測量壓頭相對(duì)于初始基準(zhǔn)位置的深度殘余增量h。

5. 計(jì)算硬度值： 根據(jù)上述公式，由h值計(jì)算出洛氏硬度值。該值直接由硬度計(jì)表盤或數(shù)字顯示器讀出，無需操作者手動(dòng)計(jì)算。

二、 檢測項(xiàng)目

洛氏硬度檢測項(xiàng)目可根據(jù)壓頭類型、試驗(yàn)力組合及適用范圍進(jìn)行系統(tǒng)分類，主要標(biāo)尺如下：

1. 常規(guī)洛氏硬度標(biāo)尺（HRC、HRB、HRA等）：

   • HRC標(biāo)尺： 采用頂角為120°的金剛石圓錐壓頭，總試驗(yàn)力為1471 N（150 kgf）。主要用于淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼等較硬材料的檢測。是應(yīng)用廣泛的標(biāo)尺。

   • HRB標(biāo)尺： 采用直徑為1.5875 mm（1/16英寸）的鋼球壓頭，總試驗(yàn)力為980.7 N（100 kgf）。主要用于退火鋼、正火鋼、銅合金、鋁合金等中等硬度材料。

   • HRA標(biāo)尺： 采用金剛石圓錐壓頭，總試驗(yàn)力為588.4 N（60 kgf）。適用于硬度極高或薄壁試樣，如硬質(zhì)合金、淺層滲碳淬火件等。

2. 表面洛氏硬度標(biāo)尺（HR15N、HR30T、HR45W等）：

   • 采用更小的試驗(yàn)力（147 N, 294 N, 441 N，即15, 30, 45 kgf）和金剛石圓錐或特定直徑的鋼球壓頭。

   • 主要用于檢測薄試樣、小零件、表面硬化層（如滲氮層、滲碳層）以及不易支撐的試樣的硬度。標(biāo)尺符號(hào)中的"N"代表金剛石壓頭，"T"代表1.5875mm鋼球，"W"代表3.175mm鋼球等。

3. 特殊材料洛氏硬度標(biāo)尺：

   • 針對(duì)特定材料（如極軟金屬、塑料）有相應(yīng)的標(biāo)尺和試驗(yàn)力組合，但應(yīng)用相對(duì)較少。

三、 檢測范圍

洛氏硬度檢測廣泛應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域，具體包括：

• 金屬熱處理行業(yè)： 評(píng)定淬火、回火、退火、正火、化學(xué)熱處理（滲碳、滲氮、碳氮共滲）等工藝后的工件硬度，是質(zhì)量控制的關(guān)鍵指標(biāo)。

• 鋼鐵冶金行業(yè)： 對(duì)鋼材（型材、板材、管材、棒材）進(jìn)行硬度分級(jí)和質(zhì)量檢驗(yàn)。

• 機(jī)械制造與汽車工業(yè)： 檢測齒輪、軸類、軸承、模具、發(fā)動(dòng)機(jī)零部件、底盤構(gòu)件等關(guān)鍵部件的硬度。

• 航空航天工業(yè)： 對(duì)高強(qiáng)度鋼、高溫合金、鈦合金等材料及其構(gòu)件進(jìn)行硬度檢測。

• 有色金屬行業(yè)： 檢測鋁、銅、鎂、鋅及其合金的硬度。

• 焊接行業(yè)： 評(píng)估焊縫、熱影響區(qū)的硬度，分析焊接工藝的合理性。

• 科研與材料研發(fā)： 用于新材料力學(xué)性能的表征與研究。

四、 檢測標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)洛氏硬度檢測的儀器、試樣、程序、標(biāo)尺選擇及結(jié)果報(bào)告均有詳細(xì)規(guī)定。

• 標(biāo)準(zhǔn)：

  • ISO 6508-1: 《金屬材料 洛氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》是上廣泛認(rèn)可的基準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)。它對(duì)試驗(yàn)機(jī)的直接檢驗(yàn)和間接檢驗(yàn)（使用標(biāo)準(zhǔn)硬度塊）提出了明確要求。

• 中國標(biāo)準(zhǔn)（GB/T）：

  • GB/T 230.1: 《金屬材料 洛氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》等效采用ISO 6508-1，是我國進(jìn)行洛氏硬度檢測的核心依據(jù)。

• 美國標(biāo)準(zhǔn)（ASTM）：

  • ASTM E18: 《金屬材料洛氏硬度標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》在北美地區(qū)應(yīng)用廣泛，其技術(shù)要求與ISO 6508-1在原則上一致，但在一些細(xì)節(jié)（如試驗(yàn)機(jī)的允差、標(biāo)準(zhǔn)塊的校準(zhǔn)周期等）上可能存在細(xì)微差異。

標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比分析：
GB/T 230.1與ISO 6508-1在技術(shù)內(nèi)容上高度一致，確保了檢測結(jié)果的可比性。ASTM E18與ISO 6508-1總體兼容，但在具體執(zhí)行和溯源體系上存在一些本土化特點(diǎn)。在進(jìn)行貿(mào)易或跨國項(xiàng)目合作時(shí)，需明確約定所遵循的標(biāo)準(zhǔn)版本。各標(biāo)準(zhǔn)均強(qiáng)調(diào)對(duì)試驗(yàn)機(jī)的定期校準(zhǔn)（直接檢驗(yàn)和間接檢驗(yàn)）和使用標(biāo)準(zhǔn)硬度塊進(jìn)行日常核查，以保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和溯源性。

五、 檢測方法

1. 主要檢測方法：

   • 直接測試法： 對(duì)滿足厚度、表面粗糙度、平整度要求的試樣直接進(jìn)行測試。

   • 輔助支撐法： 對(duì)形狀不規(guī)則或尺寸較小的試樣，需使用合適的夾具、V型砧座或?qū)Ｓ弥С信_(tái)進(jìn)行測試，確保試樣穩(wěn)固且受力方向與試驗(yàn)力方向一致。

2. 操作要點(diǎn)：

   • 試樣準(zhǔn)備： 試樣表面應(yīng)光滑平整，無氧化皮、油污及其他外來物。測試面與支撐面應(yīng)平行。試樣厚度至少應(yīng)為壓痕深度的10倍。

   • 標(biāo)尺選擇： 根據(jù)材料預(yù)期硬度、厚度及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，正確選擇標(biāo)尺。例如，硬材料選HRC，軟材料選HRB，薄層或薄件選用表面洛氏標(biāo)尺。

   • 試驗(yàn)機(jī)校準(zhǔn)： 試驗(yàn)前需使用標(biāo)準(zhǔn)硬度塊對(duì)硬度計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，確保其示值誤差在規(guī)定范圍內(nèi)。

   • 測試過程： 平穩(wěn)施加初試驗(yàn)力至設(shè)定值，調(diào)整表盤或顯示器至基準(zhǔn)位置；平穩(wěn)施加主試驗(yàn)力，在總試驗(yàn)力作用下保持規(guī)定時(shí)間（通常為2-6秒）；平穩(wěn)卸除主試驗(yàn)力，在初試驗(yàn)力保持狀態(tài)下讀取硬度值。

   • 壓痕間距： 兩相鄰壓痕中心距至少應(yīng)為壓痕直徑的3倍，且不應(yīng)小于2mm。壓痕中心至試樣邊緣的距離至少應(yīng)為壓痕直徑的2.5倍。

   • 試驗(yàn)次數(shù)： 通常在試樣不同位置至少測量3點(diǎn)，取平均值作為終結(jié)果。

六、 檢測儀器

洛氏硬度計(jì)主要分為以下幾類：

1. 臺(tái)式洛氏硬度計(jì)：

   • 精度高，穩(wěn)定性好，是實(shí)驗(yàn)室和質(zhì)檢部門的主力設(shè)備。

   • 采用杠桿-砝碼或閉環(huán)傳感器加載系統(tǒng)，力值控制精確。

   • 通常具備自動(dòng)加載、保載、卸載功能，并可直接數(shù)字顯示硬度值。

   • 可配備數(shù)據(jù)處理和輸出接口。

2. 便攜式洛氏硬度計(jì)：

   • 適用于現(xiàn)場、大型工件或不易移動(dòng)試樣的硬度檢測。

   • 結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。原理與臺(tái)式機(jī)相同，但為了便攜性，可能在力值發(fā)生機(jī)構(gòu)上有所簡化（如采用彈簧或液壓原理）。

   • 精度通常略低于高性能臺(tái)式機(jī)，需更加注意操作規(guī)范和使用環(huán)境。

3. 全自動(dòng)洛氏硬度計(jì)：

   • 集成自動(dòng)上下料、定位、測試和數(shù)據(jù)處理功能，適用于大批量產(chǎn)品的快速、高精度檢測。

   • 通常作為自動(dòng)化生產(chǎn)線的一部分。

技術(shù)特點(diǎn)：

• 加載系統(tǒng)： 高精度傳感器閉環(huán)控制系統(tǒng)優(yōu)于傳統(tǒng)的杠桿-砝碼系統(tǒng)，力值更準(zhǔn)確，響應(yīng)更快。

• 測量系統(tǒng)： 高分辨率位移傳感器用于深度測量，直接影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。

• 控制系統(tǒng)： 微處理器控制整個(gè)測試流程，確保載荷序列和保載時(shí)間的精確性。

• 數(shù)據(jù)輸出： 具備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)分析和連接計(jì)算機(jī)或打印機(jī)的功能。

七、 結(jié)果分析

1. 分析方法：

   • 單點(diǎn)測量值讀取： 直接從硬度計(jì)顯示器或表盤讀取每次測試的硬度值。

   • 統(tǒng)計(jì)分析： 對(duì)同一試樣的多個(gè)有效測量值（通常≥3個(gè)）計(jì)算平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差，以評(píng)估材料的硬度均勻性。

   • 硬度分布圖： 對(duì)于需要分析硬度梯度的情況（如滲層、焊接接頭），可沿特定路徑進(jìn)行多點(diǎn)測量并繪制硬度分布曲線。

2. 評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)：

   • 與技術(shù)要求對(duì)比： 將測量結(jié)果（平均值）與產(chǎn)品圖紙、技術(shù)協(xié)議或相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的硬度范圍進(jìn)行比對(duì)，判斷是否合格。

   • 允許偏差： 考慮硬度計(jì)本身的示值誤差和測量重復(fù)性。不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)同一均勻試樣多次測量結(jié)果的分散度有要求。例如，若多次測量值波動(dòng)超出標(biāo)準(zhǔn)或儀器允差范圍，則需檢查試樣均勻性、操作規(guī)范性或儀器狀態(tài)。

   • 無效數(shù)據(jù)剔除： 對(duì)于明顯異常、壓痕位置不符合要求（如打在夾雜物、孔洞上或靠近邊緣）的測量數(shù)據(jù)應(yīng)予以剔除。

   • 不確定度評(píng)估： 在要求嚴(yán)格的檢測中，需考慮并評(píng)估測量結(jié)果的不確定度，包括由硬度計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)塊、操作、材料不均勻性等引入的不確定度分量。

洛氏硬度值本身無量綱，其數(shù)值大小直接表征材料的軟硬程度。數(shù)值越高，表示材料抵抗塑性變形的能力越強(qiáng)。不同標(biāo)尺之間的硬度值不能直接比較，但可通過經(jīng)驗(yàn)公式或換算表進(jìn)行近似換算。