维氏硬度试验在紧固件产品检验中的应用
来源：紧固件协会 作者：
【摘要】紧固件中有许多产品需进行维氏硬度试验，本文结合维氏硬度试验原理，对实际检验这些产品时针对不同的自身条件和试验要求中出现的问题进行简要分析，并对紧固件产品在具体选择维氏硬度试验时，提出了合理的建议。
1、前言
在紧固件产品的硬度性能检测中，种类较多，几种常见硬度试验方式几乎都在被采用，如果对硬度试验没有明确的认识，这种情况最易导致应用混乱，另外制定工艺文件的人员在参照性能试验要求标准时，标准中往往提供数种硬度方法要求，当他们在选择其中之一时，由于对零件的生产过程特点和试验特点不可能十分的了解。所以，此时容易随意认为比较重要的硬度检验方法为最有效，而此举造成现生产的困难。因此，有必要对几种硬度试验方法如何在实际零件检验中的使用有一个充分的了解，以便于各个生产环节都能够顺利而又合乎要求地完成，既提高生产效率同时又真正地适应现代化生产的特点。
2、维氏硬度试验原理
硬度是指金属表面上不大体积内金属抵抗压入塑变或抵抗刻划破裂的能力，应用得最广泛的是压入硬度试验包括维氏硬度试验，即表示金属对于一个有一定几何形状的压头在一定负荷下压入它表面的抗力，即表征金属抵抗变形的能力。在实际应用中，要具体明确地给硬度这一术语下一个确切的定义是很困难的，因此无法真正表述“硬度”这一试验方式的物理本质。对于“硬度”的物理意义，更是与金属最基本的机械性能指标，如形变抗力指标、断裂抗力指标、形变功等等有关系。因此，实际的应用中，更深入地理解“硬度”的本质没有必要，但有必要对“硬度”在应用方面有进一层次的理解认识，这样有利于确定正确方式的选择，以利于生产，对紧固件如此众多的产品来说，这样做显得尤为迫切。
维氏硬度试验法开始于1925年。其测定原理是根据单位压陷凹面积承受的负荷，即应力值作为硬度值的计量指标。试验过程是用一个相对两面间夹为136°的金刚石正四棱锥体压头，在一定负荷作用下，压入被测金属表面，经规定的保荷时间后，卸除负荷，测量压痕，正方形投影的对角线长度，按要求需要计算锥形压痕的表面积及其每单位面积上所受的平均应力压痕。正方形投影的对角线长度d为压痕两对角线d1、d2的算术平均值，即d=(d1+d2)/2。由以上条件，计算试样的维氏硬度值为：
HV=｛2×P×sin(136°/2)｝/d2=1.8544×P/d2……①
式中：P——施加载荷kg，
d——压痕两对角线的算术平均值mm
则维氏硬度值HV的单位为：kg/mm
在实际应用中，此单位一般不带，直接写出数值即可。如450HV10即表示在10kg额定负荷下，在规定保荷时间内，所测得的维氏硬度值为450。
3、维氏硬度试验在紧固件产品的硬度检测中的应用状况
由于紧固件产品种类繁多，产品用材选料广泛。在实际检测中我们发现，产品既有普通标准件的成品、半成品及原材料，也有各种非标准件的各种产品形式。材料包括有中碳钢、低碳钢、易切削钢以及弹簧钢等，常见材料如：22A、65Mn、35K、35、ML15、ML20、45、Y15、20等。材料显微组织如原材料组织、调质组织、碳氮共渗组织以及中温回火组织。试验要求的部位有表面和心部等处。以下对几种典型产品的维氏硬度试验作一简要叙述。
1．零件号为Q340B10，零件名称为螺母，材料为22A，该零件要求维氏硬度值为HV188—302。该零件性能等级为8级，不进行热处理，组织为原材料组织。该产品在2000年7月的一次送检时，试验测得的维氏硬度值为HV192—244，试验机载荷选择为5kg。
2．零件号J01—040012，零件名称为裙边螺母，材料为Y15，该零件为轿车零件，材料为易切屑钢，原材料组织，在2000年3月的一次送检时，试验测得的维氏硬度值为HV195—214，试验机载荷选择为5kg。
3．零件号Q5280312，零件名称为弹性圆柱销，材料为65Mn，材料为碳素弹簧钢，热处理方式为淬火后中温回火，以获得弹性较高的回火屈氏体组织。在2000年7月的一次送检时，试验测得的维氏硬度值HV466—487，试验机载荷选择为5kg。
4．零件号J01—066014，零件名称为轴用挡圈，材料65Mn，钢丝直径1.6mm，试验要求为HRC45—50。在试验过程中因材料尺寸太小，进行洛氏硬度试验困难，故机械性能室确定进行维氏硬度试验后，其结果再换算为洛氏硬度值。
5．气门弹簧座，零件号B70HM—6A536AD，材料为ML15，表层氰化处理。技术要求为渗层深度为0.15—0.35mm，回火后表面硬度430—550HV；心部硬度不得大于300HV，按此要求，在2000年4月的一次送检中，该零件的试验结果为表面硬度507—514AHV，试验机载荷选择为10kg；心部硬度为339—350HV，试验机载荷选择为30kg。
4、维氏硬度试验的特点
从前面所述实际应用情况来看，维氏硬度试验在产品性能检验中的应用非常广泛，同时也看到，这种广泛的应用方式是在对该种试验方式的特点缺乏认识的情况下出现的。合理地根据该种试验方式特点来适当地选择该种试验，才能真正地确保结果的准确性。因此，有必要充分了解维氏硬度试验本身的特点。从这些情况来看，维氏硬度试验结果比较准确。
4．1 在布氏、洛氏硬度试验相比，维氏硬度试验结果精确
维氏硬度压头采用四方角锥后，其压痕为一具有清晰轮廓的正方形，在测量其对角线长度时误差小。再则，维氏硬度试验机本身的测量精度都很高，试验机一般都有自动加荷装置，能精确地调节加荷速度和保持时间。与布氏硬度相比，维氏硬度不存在布氏压头（钢球）变形问题。洛氏硬度由于是以压痕深度为计量指标，而压痕深度总比压痕宽度要小些，故其相对误差也就大些。
4．2 不同负荷级之间的维氏硬度值可以相互比较
从硬度试验原理看，维氏硬度的测定原理和布氏硬度相同。布氏硬度值从低到高有一个连续一致的标度，但对不同的材料需改换圆球直径和负荷大小以保证几何相似的条件。而维氏硬度采用了136°面角的金刚石正四棱锥体压头，当负荷改变时，压痕的几何形状恒相似。因此，维氏硬度试验时，负荷可以任意选择，所得硬度值相同。但在试件允许的条件下应尽量选用较大负荷，得到较大压痕，以提高测量的精确度减小相对误差，并减轻因磨制试样时所产生的表面硬化层的影响。
4．3 维氏硬度试验试样的最小厚度问题
维氏硬度试验用于检测进行化学热处理后的表面层，如：氰化层等。由于表层较薄，在较大负荷的作用下，压头有可能压穿表面硬化层，而使试验失败；故选择合适的负荷与硬化层的深度和硬度大小有关系。资料表明，维氏硬度法的负荷作用深度（引起试件内部组织变形的深度）约等于压痕深度的10倍，而压痕深度约等于对角线长度的1/7。由维氏硬度值计算式①可知，压痕对角线长度：
d=｛1.8544×（P/HV）｝1/2
=1.3618×（P/HV）1/2…………②
故压痕深度为：
d×（1/7）=0.1945×（P/HV）1/2
故10倍压痕深度，即要求试样的最小厚度h：
H=10×压痕深度=10×0.1945×（P/HV）1/2=1.945×（P/HV）1/2…………③
在以上②、③式中：
P：试验机负荷
HV：维氏硬度值
从我公司产品的应用情况来看，试验机负荷一般选择5Kg、10Kg、30Kg三种，在不同维氏硬度值下的试样的最小厚度经计算如表1：
5、维氏硬度试验实际应用中存在的问题分析
5.1 一般材料的维氏硬度试验负荷
对紧固件的许多产品来说，其送检时均未提出维氏硬度负荷要求，这种做法有一定的缺陷，对具体试验工作的人员来说，试验负荷可自由选择，虽说从原理上维氏硬度试验不同负荷做的试验硬度值存在可比性，但从误差大小和工艺规范来说，应统一明确一致的试验条件，这样得出的结果，更能够在广泛折层次内得到一致的可比性。
在国家标准GB3098.1—2000《紧固件机械性能 螺栓螺钉和螺柱》中，对常用型紧固件系列产品在硬度试验方面提出了一个仲裁维氏硬度试验法，其中给出的负荷为30kg。
在现生产中，从前述中可以看出不管是低碳钢材料如22A、还是中高碳钢材料如65Mn等，硬度范围从低到高如192—244HV到466—487HV，维氏硬度试验负荷一般选择为5kg。其一，这样使得试验条件不规范，随意性明显，其二，该负荷值较低，在硬度较高的材料表面上压出压痕会较小，因而测量压痕对角线的误差相对会增大。其三，这与国家标准中给出的负荷值有差异。
从以上情况来看，为适应统一的工艺规范性和与国家标准也有一定的一致性，在产品条件许可的情况下，应选用30kg负荷，这样做同时也提高了试验结果的准确性。
5.2 关于表层处学化理层的维氏硬度试验问题
从前文中述及气门弹簧座化学表面处理层的维氏硬度试验情况来看，化学处理层为氰化处理表层硬度要求在430—550HV，试验负荷10kg，表面硬化层深度为0.15—0.35mm；在该例中试验结果合乎要求，但在日常多次试验时我们发现有时出现一些离散偏低值，这些情况的出现常给试验结果的准确性打上了问号。因此，有必要对这一类的试验状况进行分析。
从维氏硬度试验的特点中我们可以知道，选取合适的负荷值与维氏硬度值大小以及最小表面硬化层深度存在一定的关系。当负荷选择不当时会压穿表面硬化层，使试验结果不准确。
当维氏硬度试验负荷选取为10kg时，要求的维氏硬度值为430~550HV，由前面给出的最小表层硬度厚度公式③：
h=1.945×（P/HV）1/2
a．当为430HV时
h=1.945×（10/430）1/2=0.30mm
b．当为550HV时
h=1.945×（10/550）1/2=0.26mm
故在这样的试验条件下，表面硬化层的最小厚度应在0.26~0.30mm这一范围内，比该零件的技术条件中的最小厚度0.15mm要大得多，这样，在实际零件的维氏硬度试验时，极有可能出现表面化层被试验压头压穿使试验值降低的现象。
综合以上情况，试验负荷应降低，如选用5kg试验负荷，这样，就会减轻上述异常情况的出现，提高了试验结果的准确性可信性。
5.3 关于维氏硬度值与其它类型硬度值的对比换算问题
要深入了解此问题，必须对硬度试验的本质有一个定性的认识。压入硬度数值决定于该硬度附近局部体积内金属的行为，而在压痕以下不同深度的金属所承受的应力和所发生的形变程度是不同的，硬度值是它们行为的综合表现。所以，从机械性能本质上来说，硬度反映了金属的弹性、微量塑变抗力、塑变强化能力及大量塑变抗力。视硬度试验类型和载荷大小的不同，上述基本物理量在硬度数值中所起的作用也不一样。因此，从理论上来说，硬度和其它机械性能指标之间、各类硬度值之间虽有一定的内在联系，但并不存在严格的对应关系，现有的各种对照表只是根据大量试验作出的经验关系，在要求准确的数据时不宜采用。
为了避免和减少硬度相互换算这一情况的出现，应要求工艺制度人员对产品的状况有合理的分析，制定出合理的硬度试验方法，以避免此类混乱应用的出现。在万不得已的情况下应依据国家标准GB1172—74《黑色金属硬度及强度换算法》进行换算。
6、结论
a．HV是硬度检测方式中试验较准确的方式，但操作者影响因素最明显。
b．化学热处理的表面硬化层，在图纸与资料未明确规定的情况下，维氏硬度负荷推荐采用5kg，以确保硬化层不被压穿保证试验结果的准确性。
c．为保证试验结果的准确性、可比性，应尽量避免HV与HRC、HB等之间的换算应用。
d．维氏硬度试验程序繁杂，时间长，零件外形尺寸限制，对于日常一般零件的硬度试验不应选择用维氏硬度试验，因维氏硬度试验是一种适用于仲裁试验的方法。