硬度的测试方法与流程

本发明涉及材料领域，特别是涉及一种硬度的测试方法。

背景技术：

根据jjg1011-2006标准，硬度是指“材料抵抗弹性变形、塑性变形、划痕等一种或多种作用的能力”。硬度是衡量金属材料力学性能的一个重要指标，同时，硬度与强度有一定的对应关系，与强度试验相比，硬度试验成本低、效率高、破坏性可以更小。

金属材料常用的硬度包括布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、里氏硬度、肖氏硬度等。比较常用的是静态法加载硬度试验，即洛氏硬度、布氏硬度、维氏硬度，其值表示材料表面抵抗坚硬物体压入的能力。洛氏硬度、布氏硬度、维氏硬度检测为静负荷加载，其试验设备一般为台式，设备重量较大，一般用于小型试样的实验室试验。为能直接检测无法截取试样的现场大型工件硬度，布氏硬度计和洛氏硬度计也有一些改进的便携式设备，但使用方面始终存在工件固定困难，试验力难于稳定加载，检测过程复杂，也不适用于一些薄壁工件的硬度检测。里氏硬度、肖氏硬度则属于动态法加载硬度试验，其值代表金属弹性变形功的大小。里氏硬度计和肖氏硬度计主要用于无法取样的大型工件的现场硬度检测，不需要对工件进行截取试样。但里氏硬度和肖氏硬度检测对工件的壁厚和重量有较高要求，对于一些无法采取耦合方式消除振动影响的薄壁工件，由于工件检测时会产生振动等，影响冲击装置回弹速度或高度，直接导致检测误差大，重复性差，具有一定局限性。

实际工程应用中，存在大量薄壁大型工件金属材料需要进行硬度检测的情况，对于该类薄壁大型工件，目前采用的检测方法主要为里氏硬度检测方法，其余检测方法的可操作性差，应用场合有限。里氏硬度在试件未耦合的情况下，仅适用于厚度大于25mm的工件，而大量小于25mm的大型工件无法通过耦合方式进行检测。在对这类壁厚小于25mm的无法耦合的大型工件硬度的检测仍存在检不好的问题。

综上所述，到目前为止针对薄壁大型工件的现场检测仍缺少准确、方便的测量方法，人们期望获得一种可操作性强、重复性好的薄壁金属材料现场检测方法。

技术实现要素：

基于此，本发明的目的是提供一种高效、重复性好的硬度检测方法，其适用于于薄壁大型工件的现场检测。

具体技术方案如下：

一种硬度的测试方法，包括以下步骤：

(1)用具有动能e的冲击体冲击待测试样的表面，冲击体的冲击方向与试样表面垂直，在待测试样的表面留下冲击压痕；

(2)测定步骤(1)所述冲击压痕的尺寸，计算冲击压痕的表面积s；

(3)计算待测试样的硬度值h，计算公式为

在其中一些实施例中，所述冲击压头的材质为硬质合金或金刚石。

在其中一些实施例中，所述硬质合金为碳化钨。

在其中一些实施例中，所述冲击体的压头形状为球形或正四棱锥形。

在其中一些实施例中，所述冲击体的压头形状为球形，所述冲击体的压头直径为d，步骤(2)测定冲击压痕的直径d，根据d和d计算冲击压痕的表面积s，计算公式为：进一步地，其中，d1和d2为冲击压痕的任意直径中任意两条相互垂直的直径，数值1和2仅用于编号(如图2所示)。

在其中一些实施例中，所述冲击体的压头形状为球形，所述相关系数k为1～10，所述动能e为1～100j，所述冲击体的压头直径d为1～10mm。

本发明所述相关系数k的值是为了调整实际测量的硬度值h的数量级范围。

所述动能e根据待测试样的材料类型硬度范围来确定。具体地，对于钢铁材料，动能e选用5～50j；对于铸铁材料，动能e选用50～100j；铝及铝合金材料，动能e选用1～20j的能量；铜及铜合金材料，动能e选用1～20j的能量。

在其中一些实施例中，所述冲击体的压头形状为球形，所述冲击体的压头直径d为3±0.5mm。

在其中一些实施例中，所述冲击体的压头形状为正四棱锥形，所述正四棱锥形两相对面的夹角为θ，步骤(2)测定冲击压痕的对角线长度l，根据夹角θ和对角线长度l计算冲击压痕的表面积s；计算公式为：进一步地，其中，l1和l2指冲击压痕的两条对角线中各自对角线的长度，数值1和2仅用于编号(如图4所示)。

在其中一些实施例中，所述冲击体的压头形状为正四棱锥形时，所述相关系数k为1～10，所述正四棱锥形两相对面的夹角为136±5°，所述动能e为1～100j。

所述动能e根据待测试样的材料类型硬度范围来确定。具体地，对于钢铁材料，动能e选用5～50j；对于铸铁材料，动能e选用50～100j；铝及铝合金材料，动能e选用1～20j的能量；铜及铜合金材料，动能e选用1～20j的能量。

在其中一些实施例中，所述冲击体内部设有弹簧、弹簧压缩装置和弹簧释放装置，所述冲击体的端部为冲击压头。

在其中一些实施例中，所述待测试样为金属材料。

在其中一些实施例中，冲击体冲击所述待测试样表面前，先对待测试样进行检查，使待测试样的表面光滑平坦。

在其中一些实施例中，所述使表面光滑平坦的方式包括对待测试样表面进行打磨和抛光。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明方法通过采用动态加载，然后根据冲击动能和冲击压痕尺寸计算试样的硬度，有效避免了里氏硬度和肖氏硬度由于薄壁工件的振动对冲击装置回弹速度及回弹高度的影响引起的检测结果异常，更准确反映试样的实际硬度。并且，本发明方法无需采用辅助装置进行固定，直接采用冲击体进行冲击，有效提高了测试方法的可操作性、适用性和测试效率，重复性好，可以适用于大型薄壁试样的硬度测定。

附图说明

图1为实施例1的冲击装置示意图；

图2为实施例1的冲击压痕；

图3为实施例2的冲击装置示意图；

图4为实施例2的冲击压痕；

图5为板状钢制工件示意图；

图6为实施例3中采用本发明方法所形成的冲击压痕。

具体实施方式

本发明下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。实施例中所用到的各种常用化学试剂，均为市售产品。

除非另有定义，本发明所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不用于限制本发明。

本发明的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤的过程、方法、装置、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤。

在本发明中提及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

以下结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

采用直径为d为3mm的碳化钨球形压头冲击装置对碳钢工件(尺寸为100mm×100mm，壁厚为8mm)表面进行冲击，冲击装置示意图见图1，冲击装置的冲击动能为e＝11j。工件硬度其中k为系数，s为冲击压痕的表面积，d1＝0.639mm，d2＝0.633mm，系数k取10，计算得到工件硬度为342，冲击压痕见图2。

实施例2

采用压头顶部两相对面的夹角为136°夹角的正四棱锥碳化钨压头对碳钢工件(尺寸为100mm×100mm，壁厚为8mm)表面进行冲击，冲击装置示意图见图3，冲击装置的冲击动能为e＝11j,其中m为冲击体质量，v为冲击体与工件接触时的速度。工件硬度其中e为冲击动能，k为系数，s为冲击压痕的表面积，l1＝0.416mm，l2＝0.418mm，本例系数k取1，计算得到工件硬度为117，冲击压痕见图4。

实施例3

板状钢制工件尺寸为100mm×100mm，壁厚为8mm，将工件采用台悬空固定，见图5。本例采用常规里氏硬度计和本发明所述方法对工件硬度分别进行测试。两种方法均采用d型冲击压头的里氏硬度计对工件表面进行冲击，冲击装置的碳化钨球形压头直径均为d为3mm，冲击装置的冲击动能均为e＝11j。分别对钢制工件的板状几何中心附近和四周离边缘约10mm处进行冲击。采用里氏硬度计测试结果显示，工件中心附近的里氏硬度值分别为618、617、620、614、624(hld)，离工件非夹持边缘10mm处的里氏硬度值分别为570、558、591、550、552(hld)。采取本发明所述方法，工件中心附近的冲击压痕直径(d1/d2)分别为0.478/0.476、0.475/0.472、0.477/0.465、0.466/0.463、0.458/0.468(mm)，离工件非夹持边缘10mm处的冲击压痕直径(d1/d2)分别为0.470/0.465、0.462/0.470、0.460/0.458、0.465/0.460、0.455/0.460(mm)，压痕见图6；工件硬度系数k取10，冲击压痕的表面积计算得到工件中心附近的硬度值分别为612、621、627、645、649工件边缘10mm处的硬度值分别为637、641、650、665、661。标准差重复性n为实际测量次数，xi为每次测量的结果，x为多次测量的平均值。经计算，里氏硬度计测试结果重复性δ＝0.052，采用本发明方法测试结果重复性δ＝0.026，可见采用本发明所述方法进行测量具有更好的重复性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。