硬度測試:問題和解決方案

2021-12-29 美國IH熱處理雜誌

作者：Daniel H. Herring - The HERRING GROUP, Inc. 美國伊利諾州Elmhurst

 

洛氏硬度測試是熱處理行業在檢驗熱處理工藝成功與否時應用最多的方法。它看起來是在生產現場、質量控制部門和冶金實驗室都最容易進行的測試之一，但也可以說是最難以正確進行的測試之一。讓我們更進一步討論。

 

什麼是硬度？

 

硬度的一個常見定義是材料對外力的抵抗能力，在測量時需要使用一個形狀一定的壓頭施加靜載荷。不過，硬度也可以指剛度(抗回火能力)或者抵抗劃傷、磨蝕或切削的能力。它被認為是材料在使用過程中抵抗永久變形(比如彎曲、斷裂或出現形狀變化)的能力。

 

硬度越高，它的抵抗能力就越大。必須知道的是，材料的硬度在相當大程度上取決於它的微觀結構，而後者又受到熱處理工藝的影響。

 

硬度並不是材料的一個基本性能，而是一個複合指標。所以，它是一切良好的一個表現，但並不是一切良好的保證。

 

硬度之所以很受重視，是因為它能夠直接反映出材料的預期強度，否則就需要通過破壞性試驗才能測量強度。

 

硬度壓痕在工作表面上的位置經常被認為是衡量硬度測試是否屬於無損檢測的一個重要因素。

 

根據具體操作的方式，硬度測量方法分為三大類：劃痕硬度、壓痕硬度(圖1)和動態回彈硬度(圖2)。洛氏硬度測試儀可以是臺式，也可以是可攜式。

圖1. 臺式壓痕硬度測試儀

圖2. 可攜式動態回彈硬度測試儀 (照片由哥倫比亞機械有限公司提供)

 

洛氏硬度測試的注意事項

 

許多不同的因素都會對硬度測試的結果產生影響。在大多數情況下，違反簡單但基本的測試規定造成的操作不當會導致讀數不正確或具有誤導性。其結果可能是合格部件被廢棄，更糟糕的是使不合格部件被接受並投入使用。

 

只有按照規定進行操作，才能得到準確的硬度數據。為了幫助做到這一點，我們歸納了熱處理人員在洛氏硬度測試中最常遇到的一些問題和解決方案(排序不分先後)。

 

1. 要按照ASTM E18「金屬材料洛氏硬度標準試驗方法」(最新版)或被測材料的相應ASTM標準中規定的測試規程進行操作。

 

2. 一定要使用由有資質的外部服務商在近期進行過標定(貼有最新標定標籤)的硬度測試儀。

 

3. 應當使用試塊來驗證硬度讀數。典型作法是一個試塊上取3個讀數，將平均值同刻在試塊上的數值進行對照。每天都應當這樣做。同一個試塊絕不要兩面使用。它只應使用一面，因為底面上的鑽石形壓痕在對準砧座時會導致讀數不正確。舊試塊可以被修磨，但要標明是廢品，可以在更換壓頭或砧座時用來「設置壓頭」。一定要記住，在更換壓頭或砧座後測量部件時，第一個讀數應當棄之不用。

 

4. 檢查壓頭是否有足以導致讀數錯誤的破損(鑽石形壓頭出現缺口或裂紋，球形壓頭變得扁平)。每周從測試儀上取下壓頭檢查損壞情況，檢查時應使用低倍放大鏡(10 – 50倍)，比如體視顯微鏡或珠寶商目鏡。變得扁平的球形壓頭有時很難發現，除非對所有表面進行檢查——通常需要以一定的角度檢查。如果您發現讀數一直偏高或飄忽不定，就需要立刻進行檢查。有經驗的熱處理人員有一個竅門：在取下壓頭時將一個手指放到它的尖頭上，以防止意外損壞。

 

5. 部件和測試儀的清潔性至關重要。在開始測試前，要將部件或測試儀上的任何氧化皮、碎屑、灰塵和油汙清除乾淨。即使只有很少量的碎屑，也可能造成洛氏硬度讀數出現明顯偏差。在開始操作前和換班時，應當取下壓頭和砧座進行清理。部件在測試前應當輕輕地打磨底面和頂面並清理乾淨。

 

6. 表面不平也會改變讀數。特別粗糙或帶有紋路(比如機加工痕跡)的表面會影響讀數的準確性。在開始硬度測試前應當輕輕地打磨底面和頂面。

 

7. 要考慮表面的彎曲情況。要記住，對於洛氏硬度標尺A、C和D，小直徑部件的硬度讀數必須加上一個修正係數，而且修正係數要隨表觀硬度和部件直徑而改變。修正係數請見ASTM E18中的相應表格。另外，不要將以前的鑽石形壓痕翻轉到下方對準砧座，因為這個壓痕會造成輕微移動，使讀數偏低。

 

8. 如果部件出現活動，則讀數無效(即使讀數處於規定範圍內)。這些讀數應當棄之不用，不要將其包括在平均值中。在很多例子中，記錄讀數時都加上了適當的備註，解釋了它們為何不被使用。

 

9. 要記住，對於給定的洛氏標尺需要一個最小硬化層深度，以得到有效的讀數(詳見ASTM E18)。舉例來說，對於洛氏C標尺，最小硬化層需要達到0.030英寸，才能達到60 HRC讀數。較淺的硬化層可能會使讀數偏低，所以，要麼換成A標尺，要麼換成表面硬度標尺(比如N標尺)。

 

10. 部件表面不與壓頭垂直，將會導致讀數錯誤。要記住，表面的平行度要在2度以內。在測量鑲嵌的樣品時一定要注意，它們必須平直，足夠厚，在承受載荷時不能彎曲。對它們來說，顯微硬度測試也許更合適。

 

11. 要記住，洛氏A標尺跨越了洛氏C和B標尺的範圍，通常是一個很好的依據。

 

12. 在過於靠近樣品邊緣處測量可能會損壞壓頭，因而得到錯誤的讀數。根據ASTM E18的規定，壓痕到邊緣的距離應當不小於壓痕直徑的2.5倍。如果金屬向外突起，使壓痕過於靠近邊緣，讀數應當視為無效。

 

13. 測試點相互之間過於靠近，將使讀數失真(偏高)。對(標定用)試塊來說同樣如此，而操作人員往往試圖在同一個區域進行太多次測試，以節省購買新試塊的費用。壓痕的間距應當執行ASTM E18的規定 – 直徑的3倍。

 

14. 如果部件沒有得到適當的支承，會造成讀數錯誤。較大的和形狀不規整的部件尤其需要可靠的支承。如果部件在測試過程中出現活動——即使是微小的移動——將會得到錯誤的讀數，儘管讀數可能處在預期的硬度範圍內。要將砧座換成能夠保證部件穩固的類型。還可能需要藉助於其他的外部支承裝置(比如Steady-Rest®)。

 

15. 太薄的樣品將會產生錯誤的讀數。被測材料的厚度應當至少是壓痕深度的10倍。可接受的最小厚度可查閱ASTM E18的相應表格。在進行薄片或箔材的硬度測試時，可以使用特殊的(預硬化)砧座。

 

最後，應當將印有不同硬度測試標尺及其換算關係的圖表掛在牆上，或者將關於它們的成套卡片放在方便的地點。幾乎所有製造硬度測試設備的公司都會免費提供它們。

 

結語

 

大多數人都沒有必要成為掌握硬度測試所有細節的專家。不過，對用戶來說，選擇合適的硬度測試方法和標尺，考慮部件的形狀和測試的位置，並且牢記設備和測試方法的限制，還是非常重要的。如果這些方面做得不好，會對材料的真正條件、性能和硬度產生錯誤的認識。

 

如果您發現自己在硬度和硬度測試方法方面產生了疑問，首先要確認規定的硬度對相應的材料來說是否合適。然後，要確認硬度是怎樣測量出來的，採用的方法對樣品是否合適。

 

雖然不同的硬度測試設備或實驗室之間會有不同程度的差異，但如果方法正確的話，肯定會有一定程度上的一致性。

 

 

關於作者：Daniel H. Herring，是《Industrial Heating》熱處理雜誌的「熱處理問題診斷」專欄撰稿人，是美國知名熱處理專家。他於1995年在美國伊利諾州Elmhurst市成立了以他自己名字命名的熱處理技術諮詢公司The HERRING GROUP, Inc.，主要業務包括熱處理技術諮詢和教育。2007年，他入選北美熱處理行業最有影響力的25人之一。公司聯繫電話：+1-630-834-3017，郵箱：dherring@heat-treat-doctor.com，網址：www.heat-treat-doctor.com。

備註：本文刊登於《Industrial Heating》中文版雜誌2020年8月刊。

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