洛氏硬度试验及处理对钢的影响

Structural Engineering

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Overview

资料来源: 布莱克斯堡弗吉尼亚理工大学土木与环境工程系罗伯特. 里昂

硬度测试是工程师可获得的最有价值的机械测试之一, 因为它既简单又相对便宜, 对于它所产生的大量信息和数据。硬度测试, 一般以表面穿透试验的形式, 比拉伸试验更快, 破坏性更小。硬度提供了一个线性关系与抗拉强度在广泛的强度, 许多材料, 如钢材。硬度测试是经验性的, 而不是从理论推导出来的, 因为结果混为一谈了许多不同材料性质 (杨氏模量、屈服强度等) 的影响。

硬度是一种材料的特征, 用于描述当应用已知的力时材料将经受多少塑性变形 (屈服)。你可以用三的方式描述硬度: 划痕、压痕和回弹硬度。硬度 (划痕) 试验的一个共同的早期例子是 Mohs 标度 (1820), 为矿物获得, 并且滑石有价值1和金刚石价值10。在压痕测试中采用罗克韦尔方法, 小平头用于不同的负载。最常见的是洛克韦氏硬度 B (HRB), 它使用 1/16 in. 硬化钢球压连同100公斤重量, 和洛克韦氏硬度 C (人权委员会), 它使用一个钻石锥压和150公斤重量。HRB 测试是为低范围硬度的材料, 如铝, 黄铜和软钢, 而人权委员会的测试是用于高硬度的材料, 如硬钢。更小的重量 (15 到45公斤) 用于洛克韦尔表面硬度试验, 如 HR15W, 使用 1/8 in. 钢球与15公斤重量。以其较低的载荷和浅的印象, 表面的洛氏硬度测试是非常薄或脆性材料的理想选择。回弹试验的一个例子是施密特锤, 用来测量混凝土的强度。在这个测试中, 用已知的力在表面上射出钢质, 并测量球的反弹。在所有类型的硬度测试中, 如果获得可靠的结果, 就必须进行广泛的校准。

在本实验中, 我们将对洛克韦氏硬度测试进行检查, 以测量未经处理和热处理铝的压痕硬度。

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JoVE Science Education Database. 结构工程. 洛氏硬度试验及处理对钢的影响. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Principles

有几种常用的测量硬度的方法, 包括布氏 (H)、维氏 (V)、努氏 (K) 和岸硬度试验。这些方法中的每一个都使用一个弹体, 无论是在球形 (布氏), 锥 (罗克韦尔) 的形状, 或钻石金字塔 (维克斯, 努氏, 和罗克韦尔), 使一个压痕进入金属表面, 然后测量光学或直接阅读。海岸硬度测试通常测量渗透入塑料或其他聚合物的表面。布氏硬度试验是首次引入的硬度测试, 是一种利用初级仪器进行高试验载荷的鲁棒方法。维氏硬度测试是有益的, 当你需要看看硬度在一个大范围的价值, 因为它可以测量从最低到最高记录的硬度。努氏硬度测试对于具有非常小或薄样品的应用非常有用。然而, 洛克韦氏硬度测试是最受欢迎的, 因为它是非常快速和廉价的, 以及是唯一的硬度测试, 在那里你可以直接阅读的硬度, 而不借助光学工具。

对于这项研究, 我们将集中在洛克韦氏硬度测试, 因为它是在 ASTM E-18 定义。典型的洛克韦氏测试仪显示在图1中, 包括一个读数和一个杠杆系统来应用负载, 这是隐藏在观察者。这些机器的手动和自动化版本通常在测试实验室中可用。

Figure 1
图 1: 罗克韦尔试验机。

材料越硬, 穿透深度越小, 相应的洛氏硬度值就越低。罗克韦尔 B 和 C 硬度计算为:

Equation 1

Equation 2

任何硬度测试的结果都可以通过最佳拟合方程转换为其他硬度表, 以广泛的数据集。但是, 没有一个离散的线性转换, 因此结果值将是近似值而不是绝对值。例如, 对于非工作硬化材料在平面应变下:

Equation 3

Equation 4

图2在校准块上显示典型的凹痕, 通常与试验机一起装备。这些块需要定期使用, 以确保机器正常运行。

Figure 2
图 2: 校准块上的缩进。

一般情况下, 材料的抗拉强度u) 可以与它的布氏硬度 (HB), 通过类似的等式:

Equation 5

改变材料强度的方法之一是热处理或冷轧。一般情况下, 冷辗轧通过连续更薄的轧辊将导致一个更强 (和更硬的材料)。类似地, 在钢中, 冷却速度对马氏体结构的形成有显著影响, 这有助于提高机械性能。马氏体结构展示了以身体为中心的四方 (BCT) 的独特的晶体结构, 在那里晶体被拉伸成正方形两端, 但更长的两侧, 像一个透镜, 从而传授了很大的硬度材料。

一种表征热处理的方法是通过端淬端淬火试验 (ASTM A225)。在这个测试一个圆形标本, 4 在. 长在烤箱均匀地被加热。一旦达到了理想的温度, 使完整的 austenizing 已经达到 (> 900 °c), 试样冷却与水射流在一端。Austenization 是将钢加热来改变晶体结构的过程, 从铁氧体到奥氏体, 一种金属, 非磁性的铁同素异形体, 称为伽玛相铁。

水射流端的冷却速度明显比另一端快, 导致不同的马氏体结构, 因此不同的硬度, 沿试样的长度。在这一点上, 一个浅平坦的表面沿试样的长度地面, 以允许在平坦的表面硬度测试。端淬试样有助于证明洛氏硬度试验, 但必须注意不要混淆硬度测试结果与材料的淬透性, 端淬端淬试验应该测量。淬透性的目的是衡量马氏体的结构如何变化, 在一块材料的深度;硬度是表征这种变化的一种方法。

在典型的洛克韦尔 C 试验中, 对压进行了初步的载荷, 并测量了初始穿透深度。这第一步是建立一个零或参考位置, 以减轻任何影响, 从材料的表面变化。接下来, 主要负载应用于压。最后, 对预压进行了去除, 并测量了最终穿透深度。此值与初始预加载值的差异然后计算为硬度值。

Procedure

以下步骤为图1所示的手动机器。这一过程对于其他机器也是很典型的。

  1. 获得经过水冷处理的典型端淬端淬试验试样。
  2. 将试样固定在试验机的桌子上, 以便在测试过程中不会移动。
  3. 确保选择拉杆处于 "卸载" 位置。
  4. 使用调整轮在支持下, 提高样品, 直到与压的接触建立 (当接触是刚刚做, 针在前面的表盘将开始轻微移动)。
  5. 调整刻度盘, 使初始读数为0。
  6. 通过缓慢地继续转动表调整来应用预加载, 直到刻度盘经过三个完整的转弯;当针回到0时停止。
  7. 将侧拉杆移至 "加载" 位置。
  8. 等待直到针停止移动 (5 到十年代) 然后移动杠杆回到 "卸载"。
  9. 从表盘读数中记录洛克韦氏 C 硬度。
  10. 按照长度重复测试。ASTM A255 规定, 读数应在. 第一½英寸的间隔为 1/16, 在中的下一个½间隔为1/8。

硬度测试是一个简单而相对便宜的测试。它比拉伸试验更快、更少破坏性, 被认为是最有价值的机械测试之一, 可供工程师使用。

硬度测试值是经验, 但结果提供了一个非常好的相关性与材料强度在广泛的材料。在硬度测试中应用已知的力时, 材料经受的塑性变形量决定硬度值。

在罗克韦尔式测试中, 各种尺寸和形状的加载平头测量硬度。在本实验中, 我们将用洛氏硬度试验测量和比较未经处理的和热处理的钢的硬度。

几种常用的测量金属硬度的方法包括布氏、维克斯、努氏和洛氏硬度的 BNC。这些方法中的每一种都利用了一个弹体, 无论是在球体的形状, 锥, 还是钻石金字塔。

压痕被制成金属表面, 并显示硬度读数。在这个列表中, 洛克韦氏硬度测试是最受欢迎的结构钢。标准的手动洛克韦氏测试仪由一个杠杆系统来应用负载和模拟读数显示硬度数。

在典型的罗克韦尔试验中, 通过应用初步载荷和测量初始穿透深度, 建立一个零点来计算表面的变化。接下来, 主要负载应用于压。最后, 对负载进行了去除, 并测量了最终穿透深度。机器顶部的刻度盘使用两个值之间的差异来显示洛氏硬度值。材料越硬, 压渗透的越少, 就会产生更高的洛氏硬度值。因此, 罗克韦尔 B 和洛克韦氏 C 硬度的值是根据穿透深度而定的, 因此测试机器经常使用校准测试块对特定硬度范围进行校准。

罗克韦氏硬度测试可用于评估材料的强度如何通过热处理或冷轧等工艺改变。冷轧往往导致更强, 更硬的材料。热处理可以通过加热使材料变得较软, 而通过淬火, 结构更加坚硬。

例如, 在端淬端淬火试验中, 圆柱形试样均匀加热。一端用水流淬火。从淬火端到熄灭端的试样长度的变化可以在硬度值中看到, 这是微观结构变化的代表。

在下一节中, 我们将测量钢端淬端淬火试验试样长度的硬度, 观察用洛氏硬度试验从未经处理的热处理钢过渡。

在开始之前, 请熟悉测试机器。铁砧, 可以由绞盘手轮上升或降低, 支持一个样品在可互换的压之下。

使用机器侧面的选择器选择测试负载, 并通过将负载拉杆从卸载位置转向加载位置来应用。正确的预加载和最终测量是使用机器顶部的刻度表来确定的。

在插入测试标本之前, 确认是否安装了洛克韦尔 C 金刚石锥压, 测试负载设置为150公斤。在机器上用平坦的表面对铁砧进行保护。对于这个演示, 我们将使用端淬端淬火试样, 经过水冷处理。

将负载拉杆移至卸荷位置, 然后抬起铁砧使试样靠近压。调整标本的位置, 使压是1/16 英寸从年底。当位置正确时, 重新保护试样, 使其在测试期间不会移动。现在, 再次提高样品, 直到前表盘上的针开始轻微移动, 表明与压的接触已经建立。

应用预负荷, 继续缓慢提高标本, 直到表盘上的针已完成三全轮。当针完成第三个转弯时停止。调整刻度盘的外圈, 使初始读数为零。然后将负载拉杆移至加载位置以应用测试负载。当负载被应用时, 针将会满足一个新值。等待, 直到它停止移动, 然后将负载拉杆移回卸载位置。

从刻度盘上记录下洛克韦氏 C 硬度, 然后降低铁砧, 将样品从压中移开。按照试样的长度重复这个测试。ASTM-A255 指南规定, 读数应以1/16 英寸的间隔为前半英寸和在1/8 英寸的间隔为下半英寸。

绘制试样的洛氏硬度作为沿试样位置的函数。硬度明显降低, 因为距离淬火结束增加。

采用洛氏硬度试验表明, 由于冷却速度的影响, 材料内部结构的变化对材料的硬度有很强的作用, 这反过来又表明了材料的强度。

既然你很欣赏硬度测试的易用性, 让我们来看看它是如何应用于确保日常产品的质量。

硬度值可以很容易地转换为强度值, 使用从经验公式派生的图表。正如预期的, 软材料具有较低的强度值和更硬的材料有较高的强度值。正因为如此, 硬度值可以用来代替更昂贵的拉伸测试来预测我们每天使用的东西的强度。

只是环顾四周的后院烧烤, 你会看到许多产品, 被认为是安全的, 由于硬度测试。金属草坪椅, 炉排在广泛的温度范围, 硬化钢刀, 和金属池梯子在水生条件。所有这些都有可能进行硬度测试, 以确保消费者安全。

你刚刚看了朱庇特对洛克韦氏硬度测试的介绍。你现在应该明白为什么硬度测试是常用的, 如何进行硬度测试, 以及如何分析得到的结果。

谢谢收看!

Results

视频中显示了一个端淬试样的洛克韦尔测试的典型结果。当一个人从水射流的一端移开时, 硬度会明显下降。硬度测试值可以通过测试机制造商提供的图表转换为拉伸强度。结果表明, 当你从淬火端离开时, 钢的硬度和强度都相差很大。

Applications and Summary

硬度测试是获得材料重要工程信息的主要试验之一。洛克韦氏硬度测试是硬度测试的首选方法, 因为它消除了对先进光学设备的需要, 而是采用了基本的实验室设备来准确、廉价、快速地测量材料的硬度。更重要的是, 这种方法在实验室和测试人员之间很容易翻译和重现, 因为它相对简单。该程序要求在预压条件下进行初始读取后, 应用主要负载, 并从初始值测量位置的变化。这个值可以被计算成一个硬度值, 也可以通过一系列方程式变换和近似于其他硬度刻度。采用洛氏硬度试验, 说明冷却速率对钢马氏体结构的影响, 以及冷却速度如何导致材料具有显著的不同强度。

硬度测试使我们能够利用适当的材料, 确保其使用的高质量性能。我们日常生活中使用的每种产品都经过了硬度测试。请考虑以下有趣的场景只是许多日常示例中的一个例子, 说明硬度测试如何允许我们享受既有用又安全的材料。想象一下, 多次硬度测试是为了让你为家人团聚而扔后院烧烤。金属草坪椅当然必须经过硬度测试, 以确保金属足够坚固, 这样贝茜阿姨就不会在坐下来时摔倒在地上。在烤架上的金属栅也必须在广泛的温度测试的硬度 (考虑到你的母亲喜欢她的牛排做的高热量), 以确保他们不会骨折或给予时, 不可避免地你把烧烤钳放在烤架上。你用来切肉的刀子也都是硬化钢。最后, 池中的金属梯子必须在水生条件下进行硬度测试, 以确保当你的表弟试图从水池中爬出来时, 当金属失灵时, 他没有回落。有很多保存的汉堡包, 小鬼和热狗, 更不用说人类的生活, 多亏了硬度测试。

以下步骤为图1所示的手动机器。这一过程对于其他机器也是很典型的。

  1. 获得经过水冷处理的典型端淬端淬试验试样。
  2. 将试样固定在试验机的桌子上, 以便在测试过程中不会移动。
  3. 确保选择拉杆处于 "卸载" 位置。
  4. 使用调整轮在支持下, 提高样品, 直到与压的接触建立 (当接触是刚刚做, 针在前面的表盘将开始轻微移动)。
  5. 调整刻度盘, 使初始读数为0。
  6. 通过缓慢地继续转动表调整来应用预加载, 直到刻度盘经过三个完整的转弯;当针回到0时停止。
  7. 将侧拉杆移至 "加载" 位置。
  8. 等待直到针停止移动 (5 到十年代) 然后移动杠杆回到 "卸载"。
  9. 从表盘读数中记录洛克韦氏 C 硬度。
  10. 按照长度重复测试。ASTM A255 规定, 读数应在. 第一½英寸的间隔为 1/16, 在中的下一个½间隔为1/8。

硬度测试是一个简单而相对便宜的测试。它比拉伸试验更快、更少破坏性, 被认为是最有价值的机械测试之一, 可供工程师使用。

硬度测试值是经验, 但结果提供了一个非常好的相关性与材料强度在广泛的材料。在硬度测试中应用已知的力时, 材料经受的塑性变形量决定硬度值。

在罗克韦尔式测试中, 各种尺寸和形状的加载平头测量硬度。在本实验中, 我们将用洛氏硬度试验测量和比较未经处理的和热处理的钢的硬度。

几种常用的测量金属硬度的方法包括布氏、维克斯、努氏和洛氏硬度的 BNC。这些方法中的每一种都利用了一个弹体, 无论是在球体的形状, 锥, 还是钻石金字塔。

压痕被制成金属表面, 并显示硬度读数。在这个列表中, 洛克韦氏硬度测试是最受欢迎的结构钢。标准的手动洛克韦氏测试仪由一个杠杆系统来应用负载和模拟读数显示硬度数。

在典型的罗克韦尔试验中, 通过应用初步载荷和测量初始穿透深度, 建立一个零点来计算表面的变化。接下来, 主要负载应用于压。最后, 对负载进行了去除, 并测量了最终穿透深度。机器顶部的刻度盘使用两个值之间的差异来显示洛氏硬度值。材料越硬, 压渗透的越少, 就会产生更高的洛氏硬度值。因此, 罗克韦尔 B 和洛克韦氏 C 硬度的值是根据穿透深度而定的, 因此测试机器经常使用校准测试块对特定硬度范围进行校准。

罗克韦氏硬度测试可用于评估材料的强度如何通过热处理或冷轧等工艺改变。冷轧往往导致更强, 更硬的材料。热处理可以通过加热使材料变得较软, 而通过淬火, 结构更加坚硬。

例如, 在端淬端淬火试验中, 圆柱形试样均匀加热。一端用水流淬火。从淬火端到熄灭端的试样长度的变化可以在硬度值中看到, 这是微观结构变化的代表。

在下一节中, 我们将测量钢端淬端淬火试验试样长度的硬度, 观察用洛氏硬度试验从未经处理的热处理钢过渡。

在开始之前, 请熟悉测试机器。铁砧, 可以由绞盘手轮上升或降低, 支持一个样品在可互换的压之下。

使用机器侧面的选择器选择测试负载, 并通过将负载拉杆从卸载位置转向加载位置来应用。正确的预加载和最终测量是使用机器顶部的刻度表来确定的。

在插入测试标本之前, 确认是否安装了洛克韦尔 C 金刚石锥压, 测试负载设置为150公斤。在机器上用平坦的表面对铁砧进行保护。对于这个演示, 我们将使用端淬端淬火试样, 经过水冷处理。

将负载拉杆移至卸荷位置, 然后抬起铁砧使试样靠近压。调整标本的位置, 使压是1/16 英寸从年底。当位置正确时, 重新保护试样, 使其在测试期间不会移动。现在, 再次提高样品, 直到前表盘上的针开始轻微移动, 表明与压的接触已经建立。

应用预负荷, 继续缓慢提高标本, 直到表盘上的针已完成三全轮。当针完成第三个转弯时停止。调整刻度盘的外圈, 使初始读数为零。然后将负载拉杆移至加载位置以应用测试负载。当负载被应用时, 针将会满足一个新值。等待, 直到它停止移动, 然后将负载拉杆移回卸载位置。

从刻度盘上记录下洛克韦氏 C 硬度, 然后降低铁砧, 将样品从压中移开。按照试样的长度重复这个测试。ASTM-A255 指南规定, 读数应以1/16 英寸的间隔为前半英寸和在1/8 英寸的间隔为下半英寸。

绘制试样的洛氏硬度作为沿试样位置的函数。硬度明显降低, 因为距离淬火结束增加。

采用洛氏硬度试验表明, 由于冷却速度的影响, 材料内部结构的变化对材料的硬度有很强的作用, 这反过来又表明了材料的强度。

既然你很欣赏硬度测试的易用性, 让我们来看看它是如何应用于确保日常产品的质量。

硬度值可以很容易地转换为强度值, 使用从经验公式派生的图表。正如预期的, 软材料具有较低的强度值和更硬的材料有较高的强度值。正因为如此, 硬度值可以用来代替更昂贵的拉伸测试来预测我们每天使用的东西的强度。

只是环顾四周的后院烧烤, 你会看到许多产品, 被认为是安全的, 由于硬度测试。金属草坪椅, 炉排在广泛的温度范围, 硬化钢刀, 和金属池梯子在水生条件。所有这些都有可能进行硬度测试, 以确保消费者安全。

你刚刚看了朱庇特对洛克韦氏硬度测试的介绍。你现在应该明白为什么硬度测试是常用的, 如何进行硬度测试, 以及如何分析得到的结果。

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