评价它，不要破坏它——硬度测试和铸造

使用非破坏性方法鉴定金属零件的关键步骤

硬度测试是铸造厂使用的质量测试，用于测量铸造金属的性能及其对不同应用的适用性。它的流行是由于测试的非破坏性，以及它与其他机械性能的关系。铸造厂根据硬度测试结果推断材料的拉伸应力。

铸造金属的性能因金属成分、工艺条件和热处理而异。重要的是要证明铸造金属产品适合所需的最终应用。四大类属性对铸造金属用户很重要：

• 实力
• 影响
• 硬度
• 耐腐蚀

铸造厂有时会在产品铸件旁边铸造一个测试试样。假设来自试件的质量测试结果也适用于铸造产品。一些测试（例如拉伸应力和冲击）会在此过程中破坏测试件。但是，无损检测 (NDT) 不会破坏金属样品以获得结果。无损检测的优点是可以对铸造金属产品本身进行检测，而不是对试件进行检测。

硬度测试的好处：

• 能够在热处理操作和表层深度分析中验证零件的热处理
• 能够确定材料是否具有其预期用途所需的特性
• 用于有效鉴定和释放用于目标应用的材料或组件的非破坏性测试替代方法
• 成本低、性能快

什么是硬度测试？

术语，硬度 ，通常意味着抗变形。对于金属，该属性是衡量它们对永久或塑性变形的抵抗力的量度。测量金属和铸造金属的硬度有几种不同的测试方法。

布氏硬度试验

布氏硬度测试使用方法 ASTM E10 — 金属材料布氏硬度的标准测试方法。美国测试与测量协会 (ASTM) 是该标准的保管人。这是一种宏观压痕测试，其中使用高负载来获得测量值。由于粗大的晶粒结构和不均匀材料的可能性，铸造金属需要进行宏观硬度测试。

为了获得布氏硬度值 (BHN)，固定直径的硬质合金球以固定的压力压入金属一段时间。卸下负载后，操作员测量留下的压痕直径，并使用以下公式将其转换为 BHN：

\(BHN={2PoverπD(D-sqrt{D^2-d^2 })}\)

P =作用力 (kgf)
D =压头直径 (mm)
d =压痕直径 (mm)

在美国，钢和铁的测试载荷通常设置为最大 3000kgf，使用 10mm 球。铝使用 500kgf 的较低测试载荷，有时使用 5mm 的较小压头。金属的典型 BHN 范围为 50–750。下面的工程工具箱布氏硬度表列出了 BHN 的几个示例：

材质
布氏硬度值

软黄铜

60

低碳钢

130

退火凿钢

235

白口铸铁

415

氮化表面

750

布氏硬度测试的金属表面准备是非常重要的。锯齿状表面或其他缺陷会影响结果。建议在准备测试时研磨金属表面，以尽量减少结果的变异性。

布氏硬度测试的起源可以追溯到 1900 年。在测试的早期，结果受到操作者视角的强烈影响。不同的操作员会得出不同的结果，从而导致测量的高度可变性。但随着电子测量设备的引入，一致性水平有了显着提高。

洛氏硬度测试

洛氏硬度测试使用方法 ASTM E18 — 金属材料洛氏硬度的标准测试方法。罗克韦尔测试有两个阶段。该设备使用金刚石或球形压头对样品施加初步测试力。这个阶段的目的是突破金属表面，减少表面光洁度对最终结果的影响。操作员此时测量基线压痕深度。在保持预载一段时间后，然后施加主要载荷。再次，该力保持预设时间，然后再次将其降低到预加载力。一旦时间过去，操作员就会对压痕进行深度测量。洛氏硬度值基于基线和最终深度测量值之间的差异。

洛氏测试的准确性对于测试轴在垂直度的两度以内是很重要的。测试附带洛氏硬度计。

\(RHN={N-(h/S)}\)

N =常数
S =比例单位
h =压痕深度

里氏回弹硬度试验

里氏试验使用 ASTM A956——钢产品里氏硬度试验的标准试验方法。 Leeb测试是对测试样品中物体回弹的量度。金属的硬度会影响回弹能量——较硬的材料会产生更大的回弹，而较软的材料会抑制回弹能量。物体撞击样品前后的速度是反弹值的基础。 Leeb 测试设备包含一个线圈，用于测量用于回弹测试的磁球的感应电压。该感应电压与球穿过测试设备线圈的速度直接相关。里氏硬度值的计算公式如下：

\(LHN={反弹;速度超过冲击;速度}x1000\)

Leeb 方法的优点包括测试样品上留下的压痕比其他方法小得多。它也比布氏硬度计和洛氏硬度计更便携、更易于使用且速度更快。一个缺点是它可能会在样品表面不平整的情况下产生可变的结果。样品的厚度和碳含量也会影响结果。

硬度值换算

ASTM E140-12be1 给出了金属的标准硬度转换表，用于从一种硬度测试方法转换为另一种硬度测试方法。需要注意的是，这些转换是近似的，取决于材料成分、微观结构和热处理等因素。尽管这些表格是基于对不同方法的大量测试，但转换结果只能视为可比值的估计。

硬度值和热处理

对铸造金属进行热处理以控制其特性。热处理包括将材料的温度提高到预定值。然后根据产品所需的特性以特定速率冷却。加热循环的最终温度和冷却速度对金属的微观结构有直接影响。

由较快的冷却速度引起的细珠光体和铁素体显微组织具有较大的硬度值。如果金属被淬火，快速冷却会产生马氏体微观结构，它具有最大的硬度。由于显微组织与硬度直接相关，硬度测试是热处理是否成功的快速指标。

硬度值和铸造金属性能

表格显示了特定材料的抗拉强度与硬度的关系。这是一个有用的相关性，因为测量拉伸应力是一个破坏性的过程，而硬度测试是非破坏性的。但是，从硬度到抗拉强度的转换存在局限性，这些表格只是近似值。

布氏硬度值与拉应力的关系：

\(TS(MPa)=begin{cases}3.55 cdot HB(HB le 175 )[2ex]3.38 cdot HB(HB>175 )end{cases}\)\(TS(psi)=begin{cases}515 cdot HB (HB le 175 )[2ex]490 cdot HB(HB>175 )end{cases}\)

HB =材料的布氏硬度（用标准压头和 3000kgf 负载测量）

铸造产品和分级

影响铸钢等级的因素很多。产品的成分、化学和机械性能以及热处理工艺都在根据适用的 ASTM 标准对每个铸造产品进行认证中发挥作用。

ASTM 为不同等级的金属产品制定了标准规范。重要的是要了解这些牌号及其特性，以便为每种应用选择正确的牌号。 ASTM A27 是涵盖一般应用碳钢铸件的标准。

铸造厂的硬度测试

硬度测试的发展使金属铸造厂更容易根据一个简单的测试来估计其产品的性能。它是非破坏性的，这意味着它可以在成品上进行而不会造成损坏。这是一个快速的过程，可以在产品离开生产线时为铸造厂提供有关产品的快速反馈。硬度值和抗拉强度之间的相关性是对产品等级进行初步评估的有用指南。代工厂在向客户发布产品之前完成了全套认证测试。

硬度测试还有助于铸造厂检查其热处理工艺。结果显示材料的微观结构是否如预期的那样发生了变化。硬度测试是金属铸造厂质量控制和工艺调整的重要组成部分。