美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM中關(guān)于鑄件硬度的要求及硬度計(jì)的選用方法

鑄造業(yè)是機(jī)械行業(yè)的一個(gè)重要分支，由于石墨的存在賦予鑄鐵優(yōu)良的鑄造性能、切削加工性能、減磨性能、減振性能以及低的缺口敏感性。而且鑄造生產(chǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單, 制造成本低，因而在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。在各類機(jī)械產(chǎn)品中，按質(zhì)量計(jì)算，鑄件所占比例高達(dá)50%以上。

鑄造件*位的質(zhì)量指標(biāo)就是力學(xué)性能，測(cè)試工件力學(xué)性能的方法主要有兩個(gè)，其一是拉伸試驗(yàn)，其二是硬度試驗(yàn)。拉伸試驗(yàn)測(cè)試的是工件的抗拉強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率，而硬度試驗(yàn)反映的是在各自規(guī)定的條件下材料彈性、塑性、強(qiáng)度、韌性及磨損抗力等多種物理量的綜合性能。在美國(guó)鑄件標(biāo)準(zhǔn)中幾乎每一種產(chǎn)品都規(guī)定了拉伸試驗(yàn)。多數(shù)產(chǎn)品規(guī)定了硬度試驗(yàn)。

拉伸試驗(yàn)設(shè)備復(fù)雜，投資較高，需要專業(yè)人員，需要制備試樣，試驗(yàn)效率低，成本高。硬度試驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)單，易于掌握，壓痕很小，可視為無損檢測(cè)，可直接測(cè)試成品或半成品工件。測(cè)試效率高，可用于對(duì)成批工件的逐件檢測(cè)。隨著硬度計(jì)制造技術(shù)的進(jìn)步，各種便攜式儀器，特別是高精度便攜式儀器不斷出現(xiàn)，使得硬度測(cè)試實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單、快捷和。使現(xiàn)場(chǎng)硬度檢測(cè)，生產(chǎn)線上的硬度控制及大工件的硬度檢測(cè)成為可能。

硬度試驗(yàn)和拉伸試驗(yàn)基本上都是檢測(cè)金屬抵抗塑性變形的能力。兩種試驗(yàn)在某種程度上是檢測(cè)金屬相似的特性。二者的試驗(yàn)結(jié)果是*可以相互比較的，對(duì)于多數(shù)金屬材料，硬度值和抗拉強(qiáng)度值是可以通過查表相互換算的。因此在測(cè)試材料力學(xué)性能時(shí)，人們?cè)絹碓蕉嗟剡x擇采用硬度試驗(yàn)，而較少選用拉伸試驗(yàn)。

作者研究整理了美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM中關(guān)于鑄件硬度要求的規(guī)定。

本文主要有兩部分內(nèi)容，*，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM中典型鑄造產(chǎn)品關(guān)于硬度要求方面的規(guī)定。第二，在鑄造產(chǎn)品檢測(cè)中硬度計(jì)的選用方法。

一、美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM中關(guān)于鑄件硬度的要求

灰口鐵鑄件（ASTM A48-92）

適用于主要考慮抗拉強(qiáng)度的一般工程用灰口鐵鑄件，鑄件根據(jù)不同鑄造試棒的抗拉強(qiáng)度分級(jí)。在此類鑄鐵件中，化學(xué)成分相對(duì)于抗拉強(qiáng)度來說是次要的。鑄件在訂貨或生產(chǎn)時(shí)，根據(jù)單獨(dú)鑄造的試樣性能分成若干個(gè)等級(jí)，每一等級(jí)采用一個(gè)數(shù)字后接一字母表示，數(shù)字表示單獨(dú)鑄造試棒的小抗拉強(qiáng)度，字母表示試棒的規(guī)格。例如：灰口鐵鑄件，ASTM A48，30B級(jí)表示按標(biāo)準(zhǔn)ASTM A48生產(chǎn)的，小抗拉強(qiáng)度為30千磅/英寸2（207MPa），試棒的公稱直徑為1.2英寸（30.5mm）。標(biāo)準(zhǔn)述及“在生產(chǎn)廠和購買方達(dá)成書面協(xié)議時(shí)，要求鑄件滿足硬度、化學(xué)成分、顯微組織、壓漏、X線檢驗(yàn)無缺陷、尺寸、表面精度等要求是必要的”。

機(jī)動(dòng)車用灰口鐵鑄件（ASTM A159-88）

適用于以砂模鑄造的，在汽車、拖拉機(jī)及相關(guān)工業(yè)中使用的灰口鐵鑄件。

訂貨合同應(yīng)包括如下條款：

• 是否需要特殊熱處理。
• 進(jìn)行硬度試驗(yàn)的表面。
• 所要求的表面硬化深度和表面硬度。

硬度要求：

鑄造廠應(yīng)采取必要的控制和檢驗(yàn)技術(shù)以保證鑄件符合所規(guī)定的硬度范圍，布氏硬度按ASTM

E10試驗(yàn)方法，在鑄件表面已經(jīng)去除足夠厚度的材料后測(cè)試，以保證硬度讀數(shù)的代表性。除另有協(xié)議外，應(yīng)采用10毫米的鋼球和3000公斤負(fù)荷。在鑄件上檢測(cè)硬度的面積及其位置應(yīng)由供需雙方商定，并在圖紙上標(biāo)出。

球墨鑄鐵鑄件（ASTM A536-84）

適用于由球墨鑄鐵制作的鑄件，這種鑄鐵含有球狀石墨，基本上沒有其他形式的石墨。

鑄件牌號(hào)按“抗拉強(qiáng)度——屈服強(qiáng)度——延伸率”來表示，例如：

牌號(hào)：80-55-06

代表抗拉強(qiáng)度80000磅/英寸2（552MPa），屈服強(qiáng)度55000磅/英寸2（379MPa），延伸率6.0%（2英寸或50mm）。

鑄件應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚恚缤嘶稹⒄稹⒋慊鸩⒒鼗鸬取?/p>

在合同或訂貨單中有規(guī)定時(shí)，鑄件應(yīng)滿足硬度、化學(xué)成分、顯微組織……等要求。

奧氏體球墨鑄鐵鑄件（ASTM A439-89）

適用于主要用于耐熱、耐腐蝕和耐磨的奧氏體球墨鑄鐵件。鑄件應(yīng)進(jìn)行消除應(yīng)力、穩(wěn)定性處理或退火等熱處理。

等溫淬火球墨鐵鑄件（ASTM A897M-90）

適用于需要進(jìn)行等溫淬火熱處理的球墨鐵鑄件。等溫淬火可以使同一鑄件的不同部位或同一爐鐵水鑄成的不同鑄件間的力學(xué)性能差異縮小。應(yīng)用等溫淬火熱處理可以擴(kuò)大在球墨鑄鐵件上可得到的性能范圍。

珠光體可鍛鑄件（ASTM A220 M-88）

適用于從常溫到400℃條件下工作的一般工程用珠光體可鍛鑄鐵鑄件。如果購貨合同要求進(jìn)行硬度試驗(yàn)，則應(yīng)說明可以接受的硬度范圍，試驗(yàn)部位應(yīng)清晰地示于附圖上。只要有可能，就應(yīng)采用ASTM E10規(guī)定的布氏硬度試驗(yàn)方法。并且應(yīng)盡量采用3000kg力/10mm球的試驗(yàn)條件，如果由于工件尺寸或形狀不允許，則可采用1500kg力/10mm球。在不能采用布氏硬度計(jì)的特殊情況下，可按照ASTM E18的規(guī)定，采用洛氏硬度試驗(yàn)方法來代替。

汽車用可鍛鑄鐵鑄件（ASTM A602-87）

適用于汽車工業(yè)和同類型工業(yè)產(chǎn)品所用的鐵素體、珠光體、回火珠光體和回火馬氏體級(jí)的可鍛鑄鐵鑄件。鑄件應(yīng)進(jìn)行熱處理。硬度要求鑄件應(yīng)實(shí)行必要的控制和檢驗(yàn)工序以保證符合規(guī)定的硬度范圍。硬度讀數(shù)應(yīng)按照ASTM E10，從鑄件表面清除足夠厚度的材料之后測(cè)取，以保證硬度值的代表性。應(yīng)由供需雙方協(xié)商一致并按圖紙所示，確定鑄件檢查硬度的表面或區(qū)域。

耐磨鑄鐵（ASTM A532/A532M-87）

本標(biāo)準(zhǔn)適用于一組合金化的白口鑄鐵，以保證在采礦、選礦、泥土裝卸和制造工業(yè)中應(yīng)用時(shí)的高耐磨性。 Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)合金經(jīng)常按熱處理狀態(tài)訂貨，大硬度為400HB。硬度測(cè)試可在鑄件原始表面的任何部位進(jìn)行。壓痕可在鑄件的原始表面上做出，或深入原始表面1/8英寸。硬度按照下列ASTM標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法進(jìn)行測(cè)試。優(yōu)先選用的方法是采用碳化鎢球和3000公斤力的ASTM E10布氏試驗(yàn)法。作為任選方法，可采用ASTM E18標(biāo)準(zhǔn)中的洛氏方法，采用洛氏C標(biāo)尺，金剛石圓錐壓頭和150公斤力。

二、硬度計(jì)在鑄造件上的應(yīng)用

1、布氏硬度計(jì)

鑄造件的硬度檢測(cè)布氏硬度計(jì)，特別是晶粒比較粗大的灰口鐵鑄件，只能采用布氏硬度計(jì)，并且要盡量選用3000kg力，10mm球的試驗(yàn)條件，當(dāng)鑄件尺寸較小時(shí)，也可選用洛氏硬度計(jì)。

在鑄造件硬度檢測(cè)方面優(yōu)先選用布氏硬度計(jì)的原因在于以下兩點(diǎn)：

a、鑄鐵件通常組織不均勻，晶粒較大，含有的碳、硅和其他雜質(zhì)也比鋼材多，在不同的微小區(qū)域內(nèi)或不同的點(diǎn)上硬度的大小會(huì)有所不同。而布氏硬度計(jì)的壓頭尺寸較大，壓痕面積較大，可以測(cè)出某一范圍內(nèi)材料硬度的平均值，因此使用布氏硬度計(jì)測(cè)試精度較高，硬度值的分散性較小，測(cè)得的硬度值更能代表工件硬度的實(shí)際狀況。所以布氏硬度計(jì)在鑄造行業(yè)被廣泛應(yīng)用。

b、抗拉強(qiáng)度是鑄件*位的力學(xué)性能指標(biāo)，幾乎所有的鑄造件標(biāo)準(zhǔn)中都有關(guān)于抗拉強(qiáng)度的要求。而鑄件的布氏硬度值和抗拉強(qiáng)度值具有非常密切的關(guān)系，二者的數(shù)值可以相互換算。灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度可以由以下公式計(jì)算：

σb=1.82（HB）1.85

二者關(guān)系也可以通過查表得到。通過測(cè)試布氏硬度值可以快速、方便地得到工件的抗拉強(qiáng)度值。從而提高檢測(cè)效率、降低試驗(yàn)成本。

2、洛氏硬度計(jì)

洛氏硬度計(jì)也常用于鑄鐵的硬度試驗(yàn)。凡是晶粒較細(xì)的工件，如果沒有足夠的面積作布氏硬度試驗(yàn)，也可以進(jìn)行洛氏硬度試驗(yàn)，對(duì)于珠光體可鍛鑄鐵，冷硬鑄鐵和鑄鋼件，可以采用HRB或HRC標(biāo)尺，如果材質(zhì)不均勻，應(yīng)測(cè)出幾個(gè)讀數(shù)，取其平均值。

洛氏硬度計(jì)測(cè)試快速，方便，壓痕小，可以直接測(cè)試成品工件，適于對(duì)成批生產(chǎn)的成品或半成品工件的逐件檢測(cè)。

3、肖氏硬度計(jì)

在個(gè)別情況下，一些型體較大的鑄造件，不允許切割試樣，也不能另外鑄造用于硬度測(cè)試的試驗(yàn)塊，這時(shí)硬度檢測(cè)會(huì)遇到困難。對(duì)于這種情況，常用的辦法是，在鑄件進(jìn)行精加工之后在光潔的表面上用便攜式的肖氏硬度計(jì)測(cè)試硬度。例如冶金行業(yè)廣泛應(yīng)用的軋輥標(biāo)準(zhǔn)中就規(guī)定要使用肖氏硬度計(jì)測(cè)試硬度。

肖氏硬度計(jì)由于采用了動(dòng)態(tài)硬度檢測(cè)原理，影響硬度測(cè)試結(jié)果的因素較多，測(cè)試精度遠(yuǎn)低于采用靜態(tài)的壓痕硬度測(cè)試原理的布氏硬度計(jì)和洛氏硬度計(jì)。由于這個(gè)原因，在軋輥標(biāo)準(zhǔn)中還推薦采用一種硬度對(duì)比輥，硬度對(duì)比輥起到一個(gè)標(biāo)樣的作用，其硬度值是依靠切割試樣的辦法得到測(cè)試的。使用肖氏硬度計(jì)測(cè)試軋輥之后，要在對(duì)比輥上核對(duì)肖氏硬度計(jì)的檢測(cè)精度。

4、里氏硬度計(jì)

目前，在鑄造件硬度檢測(cè)上里氏硬度計(jì)被廣泛使用。里氏硬度計(jì)是對(duì)肖氏硬度計(jì)的改進(jìn)。它也是采用動(dòng)態(tài)硬度測(cè)試原理，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了硬度計(jì)的小型化，電子化，使用簡(jiǎn)單方便，測(cè)試結(jié)果可方便地?fù)Q算成布氏硬度值，因而得到廣泛歡迎。

但是，同肖氏硬度計(jì)一樣，里氏硬度計(jì)的精度也不高，影響測(cè)試精度的因素較多，要求工件表面具有較高的光潔度，并且缺乏的硬度換算表，硬度換算也會(huì)帶來較大誤差。因此里氏硬度計(jì)的測(cè)量結(jié)果常常被人們作為參考值在國(guó)內(nèi)使用，里氏硬度計(jì)主要用于對(duì)工件硬度要求范圍較寬的場(chǎng)合。另外，里氏硬度計(jì)作為非正規(guī)的硬度檢測(cè)方法，在標(biāo)準(zhǔn)化組織中沒有得到廣泛認(rèn)可，在國(guó)外鑄造件的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中也沒有被采用。在貿(mào)易中，里氏硬度計(jì)的測(cè)量結(jié)果不會(huì)被多數(shù)外商接受。

許多鑄造件都是中大型工件、有些重達(dá)幾噸，無法搬到臺(tái)式的硬度計(jì)上測(cè)試。鑄件的硬度測(cè)試主要采用單獨(dú)鑄造的試驗(yàn)棒或鑄件上附帶的試驗(yàn)塊。然而，無論是試驗(yàn)棒還是試驗(yàn)塊都無法*代替工件本身，即使是同一爐鐵水，鑄造工藝和熱處理?xiàng)l件也相同，因?yàn)槌叽绱笮〉木薮蟛町悾瑫?huì)造成二者加熱速度，特別是冷卻速度不同，很難讓二者具有*相同的硬度，由于這個(gè)原因許多客戶更關(guān)心和相信工件本身硬度。這樣就要求有一種便攜式的硬度計(jì)來測(cè)試鑄件硬度。

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