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ASTM A 1038-2005 使用超声接触阻抗法的便携式硬度试验的标准规程(侠之生译中文版)


1. 适用范围 适用范围 1.1 本标准用UCI法测定相对硬度。 1.2 本标准不涉及安全性。 2. 参考文献 2.1 ASTM 标准: A 370 钢产品力学性能试验方法和定义 E 10 金属材料布氏硬度试验方法 E 18 金属材料洛氏硬度和洛氏表面硬度试验方法 E 92 金属材料维氏硬度试验方法 E 140 材料标准硬度转换表 E 384 材料显微硬度测试方法 3. 术语 3

.1 定义: 3.1.1 UCI法—超声接触阻抗法,由Dr. Claus Kleesattel于1961年发明,其原理是振动杆压上试样时, 凹坑处接触面积不同,引起频率改变。 3.1.2 UCI硬度测试—以固定的压力,作用于经校准且装有特定压头(如维氏金刚石)的振动杆,来 测量硬度。 3.1.3 校准—通过与常规台式硬度测试结果、或一套标定过的硬度块作比较,检定UCI仪器重要参数 的特定值。 3.1.4 检定—检查或测试UCI仪器,保证其符合要求。 3.1.5 表面质量—指表面粗糙度,即轮廓算术平均偏差Ra。 4. 重要性和使用 4.1 材料的硬度值取决于所用的方法,为避免创建新的硬度标尺,UCI法把结果转换为常用硬度,如 HV和HRC。 4.2 UCI硬度测试只能测量接触表面的硬度,特定位置的结果不能代表其他位置,更不能体现材料内 部的信息。 4.3 UCI硬度测试可用于大小零件的各种表面,包括难以到达的位置,如齿侧或齿轮根部。 A. UCI硬度测试的仪器和方法概述 硬度测试的仪器和方法概述 5. 仪器 5.1 UCI法的仪器通常包括: (1)一个包含振动杆的探头, 杆的接触端装有压头, 可以是符合E 92和E 384 标准的维氏金刚石;(2)激振装置;(3)振动检测装置;(4)数据处理电路;(5)数字式显示屏,显示测得 硬度值。 5.2 UCI探头—探头的规格很多:其静载荷通常为1 N到98 N,参见附录X1;根据不同应用,有不同 长度的传感器杆;分手动和自动两种,可用伺服电机加载。 5.3 方法概述—在常规台式硬度测试(如按照E 10、E 92和E 384的布氏或维氏测试)中,硬度值取 决于在材料上加一定载荷又卸载之后,对凹坑面积的光学测量。在UCI便携式测试中,测量凹坑面 积不是用光学方法,而是通过衡量超声共振的频率改变。执行UCI测量时,探头内的振动杆由压电 陶瓷激励,作纵向超声振动,频率在70kHz左右。这就是0频率,发生在压头处于空气中的时候。 探头内的弹簧提供特定载荷,振动着的末端压入被测材料,产生弹性接触,导致振动杆频率改变。 此改变与凹痕面积(压头与材料的接触面积)有关。这个面积对应着给定了弹性系数材料的硬度, 见公式1。

实线表示未接触时的纵向振幅,虚线表示接触时的纵向振幅 T为压电传感器,R为接收器,O为振动杆,V为压头,m为被测金属

图1 UCI探头示意图 探头示意图

公式1

是以,较硬材料上的频率变化相对较小,因为凹痕较浅。凹痕越深,频率变化越大,略大的凹 痕代表中等硬度。类似的,软材料上的凹痕是最大的。(见图2)

硬度(HV) )

频率变化( 频率变化(kHz) )
图2 硬度值和振动杆频率变化的关系曲线

当手持式探头的相应测量频率触发内部开关或自动探头加载一定时间后, 特定负荷的加载完成, 仪器持续地监控共振频率、计算频率改变,最后显示出硬度值。 测量系统的弹性模量一定时,对于特定压头,如维式金刚石,频率改变量是凹痕大小的函数。 公式1描述了和维氏硬度的对比关系。?f = 频率变化;A = 凹痕面积;Eeff = 有效弹性模量(包 括压头和被测材料的弹性常数);HV = 维氏硬度值;F = 负荷。 5.4 弹性常数的影响—由公式1可见, 频率改变不仅与接触面积有关, 也与接触材料的弹性模量有关。 对于杨氏模量不同的材料,需要校准仪器。校准之后的UCI法适用于所有弹性模量的材料。UCI仪器 通常被人为校准到适于非合金钢和低合金钢,即遵循E 92测试方法的硬度块。此外,一些仪器可通 过现场的快速校准用于其他金属,如高合金钢、铝和钛。 6. 为其他材料校准 6.1 准备特定材料的硬度块,其硬度值已由常规台式方法如维氏、布氏或洛氏中的一种确定,见A 370。校准平均硬度值至少需要5个读数。按照10.6的说明,在被测材料上进行至少5次UCI测量。将 显示的平均硬度值调整到先前测得的硬度值,即可得出校准值,从而在希望的硬度标尺和范围内测 量此种材料的硬度。对于不同材料的硬度检测,一些仪器允许存储所有的校准数据和调整参数,需 要的时候调用即可。 7. 与其他硬度测试方法对比 7.1 与传统小负荷硬度测试相比,UCI法用电子而非光学的方法评价凹痕尺寸。UCI法依赖于弹性模 量,是一种比较测量法。移除负荷后,使用维氏金刚石的UCI探头压出的凹痕与同负荷下常规台式 维氏测试中的凹痕几乎一致。如按照E 92的规定加载,且使用了维式UCI压头,其凹痕可用标准维氏 测试的光学方法来测量。在此种情况下,需要特殊的准备或探头附属装置来保证实际负荷的准确性。 8. 试样 8.1 表面处理—负荷的应用(也就是探头的选择)和材料的表面粗糙度有关。光滑、均一的表面可 以用小负荷,粗糙表面的负荷则应尽量增大。表面杂质必须去除,无油无尘,并且粗糙度不能超过 压痕的30 %(Ra≤0.3×h)其中 F[ N ] 公式2 h[mm] = 0.062 × H [ HV ]
特定硬度(HV)和负荷(N)下,维氏金刚石压头的压痕深度见公式2。

表1提供了适合特定UCI维氏探头的最小表面粗糙度,如果需要表面处理,注意不要因为过热或冷作 硬化改变表面硬度。任何油漆、污垢或其他表面覆盖物均需完全清除。表面质量不好会导致示值不 稳定,粗糙表面往往会降低测量值。
表1:不同负荷的表面粗糙度 :
测试负荷 Ra 98 N ≤15 ?m 50 N ≤10 ?m 10 N ≤5 ?m 3N ≤2.5 ?m

8.2 最小厚度—较大材料的薄镀层或表面层必须达到最小厚度,即凹痕深度的十倍(维氏凹痕见图 3)。符合: Smin = 10×h

硬度( HV) )

穿透深度( ) 穿透深度(?m) 深度
的不同负荷下, 图3 在1N到98N的不同负荷下,维氏金刚石的穿透深度 到 的不同负荷下

8.3 最小壁厚—样品厚度小于15mm时,若发生共振,示值会明显改变,例如薄片和管子。多数扰动 是振动端激起的弹性振动,应使用合适的方法抑制。可以将试样粘在大质量金属块上,胶和油膜都 可以阻止弹性波,但是建议有至少2~3mm的壁厚。 8.4 振动的影响—UCI法的基础是测量频率改变,低于300g的零件会发生振动,导致错误或者不确定 的结果。质量小于最小质量或者部分厚度小于最小厚度的试样需要刚性支撑,耦合到厚的大质量刚 体表面来抵抗UCI探头的振动。缺乏合适的支撑或耦合会导致或高或低的结果。 8.5 表面曲率—带曲面试样的凹面和凸面都可以进行测量,需要与曲率半径相配的探头和探头附件 来保证垂直。 8.6 温度—试样温度也可能改变UCI法的结果。但是,如果探头仅在测量时暴露于高温中,即使高于 室温也可进行测量,不影响UCI仪器的性能。 9. 仪器校验 9.1 方法校验—在每一次改变或者工作周期之前,应按照B部分的说明校验仪器。不能满足B部分的 UCI硬度计不可使用。 10. 过程 10.1 测试过程—首先把探头连接到显示单元,打开仪器。紧握探头(如必要,可使用探头架),使 其轴线垂直于被测面。双手握持可获得较好结果。在加载阶段,谨慎稳定地向试样施加压力,确保 探头在整个加载期间保持垂直。测量结束后,一些仪器会发出声信号并即刻显示硬度值。 10.2 步骤—为避免误差,应缓慢稳定地移动探头。注意探头垂直于表面,最大倾角应小于5°,防 止探头转动。压头应不受侧向力,并且不发生滑动。 10.3 测试方向—UCI硬度测试通常可用于任意方向,不需要根据负荷修正。测量方向可能有影响, 取决于厂家和UCI探头的负荷。这是由于振动杆的质量,可能在测量方向不同时影响负荷。从上向 下测量时,杆的质量会增加负荷,反之亦然。负荷小于10N的时候,应该特别注意这个问题。此时, 使用者应在同等负荷和材料硬度下,核实测试方向对硬度读数的影响。 10.4 压痕间距—和E 92法相同,临近凹痕的中心距离与平均对角线长度有关,必须满足:(1) 对于 钢、铜和铜合金来说,至少是3倍;(2) 对于轻金属、铅、锡及其合金来说,至少是6倍。如果两个凹

痕大小不同,取较大一个的平均对角线长度来计算间距。不得在同一点测量多次。 10.5 UCI仪器示值—仪器的电子显示屏上可直接读出硬度值。在一些仪器上,既可以显示当次测量 的实际读数,也可以显示到目前为止所有读数的平均值。通过硬度换算表(参见第11章)或者根据 第6章的计算,可以把硬度值转化到其他硬度标准。 10.6 测量次数—在大约1in.2(645mm2)范围内进行的5次测量可以构成一次检测。对于非均一的被 测材料,10次或更多次测量可以构成一次检测。 10.7 记录—硬度数值应附加UCI测量符号,HV(UCI)。对于维氏读数,应在后面增加测试负荷值, 以kgf为单位,例如446 HV(UCI) 10,表示在10 kgf负荷下,用UCI法测得的硬度是466。如根据第6 章,将硬度值用其他标尺表示,可类似地记为45 HRC(UCI)或220 HBW(UCI)等。换算值的记录见第 11章。 11. 硬度换算 11.1 硬度值的换算—一些仪器能自动根据E 140把硬度值转换为其他标尺, 既可以转换为硬度,也可 以转换为抗拉强度,单位是N/mm2,因此,E 140中列举的转换值和所有限制都适用。硬度转换有一 定的限制,不同方法测得的硬度不能用确定的数学关系来对应,压头的形态和材料、凹痕的尺寸及 测量值,都取决于所用硬度测试的类型。 将一种硬度值转换为另一种硬度或抗拉强度的话,可能是不准确或者不能容许的,这取决于材料的 制备和表面质量。 11.2 转化为抗拉强度—转换为以N/mm2为单位的应力,仅限于负荷大于或等于98 N的情况下。 B. UCI硬度计的检验 硬度计的检 硬度计的 12. 范围 12.1 B部分包括使用合适的硬度块对UCI硬度计进行检验的过程,厂家必须做直接检验。 13. 需求概述 13.1 仪器—检验UCI仪器之前,必须检查仪器以确定:(1)显示单元的电池有电;(2)压头清洁,无灰 尘、砂砾、油脂等。 14. 标准硬度块 14.1 为了排除超声传感器在标准硬度块中引起的扰动,需要把硬度块做得很大,建议用钢制作,直 径不小于80 mm,厚度不小于16 mm。 14.2 每一块需采用特定的制备方法和热处理,来保证所需的硬度、同质性和表面硬度的稳定性,和 E 18的规定一样。 14.3 测试面需磨光,没有划痕等缺陷,否则会影响UCI测量。表面粗糙度不超过0.4 ?m。 14.4 为了确保标准块的测试表面不会被去除材料,标定时需要在测试面打上正式标记,并标出精度 为±0.025 mm的厚度。 14.5 标准硬度块需要用标准的检定的硬度测试装置来标定,可以遵循E 10、E 18、E 92或E 384。在 标准块的测试面上随机进行至少5次测量,取算术平均值作为平均硬度。 14.6 每一块需要以下标记: (1)硬度的算术平均值和测试方法 (如HV、 HRC、HRB、 HBW、 HBS等) ; (2)厂商名称或标识。如标在边缘,测试面朝上的时候,字母应竖立。 15. 检验 15.1 检查UCI硬度计,要使用选定的标尺在标准块上进行至少两次测量。 15.2 如果每一个数值的误差在标称值的±3%以内,可认为合格。不合格品不得用于检测,需修补或 进一步检验。 附录
(非强制性说明) 非强制性说明) X1. 挑选使用 挑选使用UCI仪器的指导方针 仪器的指导方针
表 X1.1
负荷 98 N 49 N 模式 标准长度(手动) 标准长度(手动) 长探头(手动) 短探头(手动) 标准长度(手动) 长探头(手动) 短探头(手动) 特性 压痕较大,对表面要求最低 常用 延长30mm 长度缩短(90mm),电子元件分离式布置 容易加压,提供小半径测试的控制 延长30mm 长度缩短(90mm),电子元件分离式布置 典型应用 小型锻件、铸造材料、焊缝检查、热影响区 感应硬化或渗碳零件,如凸轮轴、涡轮焊缝检查、热影响区 测量凹槽、齿侧和齿根 涡轮叶片、直径大于90 mm的管道内壁 离子渗氮冲模、模壳、夹具、薄壁件 轴承、齿侧 涡轮叶片、直径大于90 mm的管道内壁

9.8 N

7.8 N 3N 1N

电动探头 电动探头 电动探头

电机加载 电机加载,凹痕更小 电机加载,凹痕更小

光滑的精密零件、齿轮、轴承滚道 薄层,如钢筒上的铜或铬;铜轮转影印筒;镀层、表面硬化件 薄层和镀层

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