硬度試驗術(shù)語簡介

測量固體材料表面硬度的一種材料機械性能試驗。 硬度試驗是材料試驗中最簡便的一種，與其他材料試驗如拉伸試驗、沖擊試驗和扭轉(zhuǎn)試驗相比，具有以下特點：

①試驗可在零件上直接進行而不論零件大小、厚薄和形狀；

②試驗時留在表面上的痕跡很小，零件不被破壞；

③試驗方法簡單、迅速。硬度試驗在機械工業(yè)中廣泛用于檢驗原材料和零件在熱處理后的質(zhì)量。

由于硬度與其他機械性能有一定關(guān)系，也可根據(jù)硬度估計出零件和材料的其他機械性能。硬度試驗方法很多，一般分為劃痕法、壓入法和動力法3類。

在古代，人們采用金屬互壓、異物壓入或劃痕等原始方法比較金屬的軟硬程度。本世紀二十年代前后，布氏、洛氏、肖氏、維氏等硬度試驗 方法相繼問世。硬度值雖然不能直接用于機件設(shè)計，但因為硬度試驗簡便易行，常用于材料質(zhì)量控 制和試驗研究。硬度試驗可分為靜態(tài)法和動態(tài)法兩 類。

硬度試驗劃痕法

測得的硬度值表示材料抵抗表面局部斷裂的能力。試驗時用一套硬度等級不同的參比材料與被測材料相互進行劃痕比較，從而判定被測材料的硬度等級。這一方法是1812年德國人F.莫斯首先提出的。他將參比材料按硬度遞增而分為10個等級，依次為：滑石、石膏、方解石、螢石、磷灰石、正長石、石英、黃玉、剛玉、金剛石。用這種方法測出的硬度稱為莫氏硬度，主要用于礦物的硬度評定。用于金屬的也有 ：莫氏、麻田劃痕及銼磨試驗等。

硬度試驗壓入法

測得的硬度值表示材料抵抗表面塑性變形的能力。試驗時用一定形狀的壓頭在靜載荷作用下壓入材料表面，通過測量壓痕的面積或深度來計算硬度。

應(yīng)用較多的有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度試驗 3種方法。

硬度試驗動力法

采用動態(tài)加載，測得的硬度值表示材料抵抗彈性變形的能力。

硬度試驗?zāi)p法

對于磨損抵抗謂之磨耗硬度，例如：磨耗試驗等。

硬度試驗切削法

對于切削或鉆削之抵抗謂之切削硬度或切削性，例如：切削硬度試驗等。

硬度試驗布氏硬度試驗

1900年由瑞典人J.A.布里涅耳首先提出。圖1為布氏硬度試驗的原理。試驗時用一定大小的載荷P(牛頓)把直徑為D（毫米）的鋼球壓入被測材料表面，保持一定時間后卸除載荷，表面留下直徑為d（毫米）的壓痕，計算出壓痕的表面積F，根據(jù)下式得出布氏硬度值，用HB表示。

試驗在布氏硬度計上進行。適用于各種退火狀態(tài)下的鋼材、鑄鐵和有色金屬，一般用于硬度小于HB 450的場合。布氏硬度壓痕較大，一般以10mm及2.5mm的鋼球應(yīng)用最為廣泛，因此布氏硬度檢測的硬度值最為代表性，較易得出材料的平均硬度，但所測工件表面壓痕明顯，不適用于檢測成品件。

硬度試驗洛氏硬度試驗

由美國冶金學(xué)家S.P.洛克韋爾所提出，是應(yīng)用最廣的試驗方法。試驗時以錐角為120°的金剛石圓錐或直徑為1.588毫米的鋼球為壓頭，先以初載荷P0壓入被測件表面，壓入深度為h0。再加主載荷P1，總載荷P=P0 P1，此時壓入總深度為h1。卸除主載荷P1，由于試樣的彈性變形恢復(fù)了h2，因此h=h1-h2-h0。由h值根據(jù)式可算出硬度值，式中k為常數(shù)。實際上，在洛氏硬度計上可以不經(jīng)計算直接在表盤上讀出HR值。

為了用一種硬度計測定從軟到硬的材料硬度，須采用不同的壓頭和總載荷，組成不同的標尺，常用的有HRA、HRB、HRC 3種方法。

洛氏硬度試驗適用于各種鋼材、有色金屬、淬火后的高硬工件和硬質(zhì)合金等，因其壓痕較小，常用于檢測成品及半成品的硬度，但對于組織不均勻的材質(zhì)會出現(xiàn)檢測硬度差別較大的可能性。

硬度試驗維氏硬度試驗

英國維克斯公司提出的一種試驗方法，用兩相對夾角為136°的正棱形角錐以一定載荷P壓入被測件表面，由壓痕平均對角線長度d（毫米）計算壓痕表面積F（毫米2），則維氏硬度值HV可由下式計算得出

維氏硬度值也可根據(jù)壓痕對角線長度和載荷查表得出。維氏硬度試驗適于用來測定金屬鍍層或化學(xué)熱處理后的表面層硬度。

當維氏硬度試驗的作用載荷在 1千克力（9.80665牛頓）以下時，稱為顯微硬度試驗。它可測定材料微小區(qū)域內(nèi)的如金屬中的非金屬夾雜物或單個晶粒的硬度，可用來鑒別金相組織中的不同組成相，或測定極薄層內(nèi)的硬度。

硬度試驗肖氏硬度試驗

由美國人A.F.肖爾提出，又稱回跳硬度試驗。將一個具有一定重量的帶有金剛石圓頭或鋼球的重錘，從一定高度落到被測件的表面，以重錘回跳的高度作為硬度的度量依據(jù)。硬度與回跳高度成正比，即回跳的高度越高，材料硬度值越高。肖氏硬度以HS表示。肖氏硬度試驗只適合對彈性模量相同的材料進行測定比較。否則就會得到橡皮的HS值高于鋼的錯誤結(jié)果。肖氏硬度試驗用于測定各種原材料和材料熱處理后的硬度。由于肖氏硬度計體積小，攜帶方便，便于現(xiàn)場應(yīng)用。

硬度試驗動態(tài)布氏硬度試驗

將鋼球在沖擊力作用下壓入試樣表面，測出被測件上的壓痕直徑，據(jù)此求出硬度值。有兩種測法：一種是將鋼球在已知的彈簧力的作用下，壓入被測件表面，根據(jù)壓痕大小，得出硬度值。另一種是將鋼球置于已知硬度的標準桿和被測件之間，用錘敲擊，測出標準桿和被測件的壓痕大小，進行比較后，求出被測件的硬度。

在各種硬度試驗中，對試樣的要求有以下幾點：

（1）牌號命名規(guī)范

針對我國超高強度鋼牌號多為引進牌號，目前使用比較混亂的問題，建議按照我國牌號的命名方法，加以統(tǒng)一，并指定專門的機構(gòu)在使用之前加以注冊登記，在最初使用階段，為識別方便可以加代號加以補充說明，這將有利于產(chǎn)品的推廣使用。

對于在國內(nèi)外較通用的、用途較廣泛的超高強度鋼牌號，應(yīng)盡量推廣使用，在通用標準中納入。

（2）基本要求通用化

為了加強超高強度鋼產(chǎn)品的質(zhì)量管理，提高標準的通用化程度，適應(yīng)市場經(jīng)濟的發(fā)展需要， 超高強度鋼產(chǎn)品標準中的基本要求一定要通用化。為了達到通用化的目的，最好的辦法是制定一個超高強度鋼標準的“通用規(guī)范”， 即制定“超高強度鋼產(chǎn)品檢驗交貨一般要求”國家軍用標準。

（3）行業(yè)標準協(xié)調(diào)統(tǒng)一

冶金、航空、航天等部門要統(tǒng)一認識，相互協(xié)調(diào)、分工負責(zé)。規(guī)范超高強度鋼行業(yè)標準的制定原則，協(xié)調(diào)規(guī)范超高強度鋼行業(yè)標準， 形成冶金、航空、航天等部門超高強度鋼行業(yè)標準的統(tǒng)一體系。2100433B

洛氏硬度試驗是簡便、迅速的硬度測試方法。洛氏硬度試驗方法廣泛應(yīng)用於生產(chǎn)制造、科學(xué)研究的各個領(lǐng)域。

洛氏硬度的符號以HR表示。為適應(yīng)各種不同材料的應(yīng)用，根據(jù)所用的壓頭及試驗力的不同組合區(qū)分為洛氏硬度標尺（A、B、C、D、E、F、G、H、K、L、M、P、R、S、V……）。

布氏硬度試驗原理

布氏硬度HB的計算式為 ：

式中 d——壓痕直徑，mm；h——壓痕深度，mm。

只要測出壓痕直徑，即可通過計算或查表求出 HB值。

試驗時根據(jù)材料的性質(zhì)和形狀選用不同的載荷和鋼球直徑。布氏硬度的試驗方法和技術(shù)要求可參見GB231—63。

布氏硬度試驗的優(yōu)點是代表性強，數(shù)據(jù)重復(fù)性好，與強度之間存在一定的換算關(guān)系。缺點是不能測試較硬的材料；壓痕較大，不適于成品檢驗。通常用來檢驗鑄鐵、有色金屬、低合金鋼等原材料和調(diào)質(zhì)件的硬度。

布氏硬度試驗條件

布氏硬度試驗時，壓頭球體的直徑D、試驗載荷F及載荷保持的時間 t，應(yīng)根據(jù)被試金屬材料的種類、硬度值的范圍及厚度進行選擇。 常用的壓頭直徑 1、2、2.5、5和10毫米五種。

試驗載荷可從9.807N （1kgf）~29.42 KN （3000 kgf）范圍內(nèi)，

載荷保持的時間，一般黑色金屬為10～15s；有色金屬為30s；布氏硬度值小于35時為60s。

布氏硬度優(yōu)缺點

鋼球直徑較大，在金屬材料表面上留下的壓痕也較大，故測得的硬度值比較準確。 布氏硬度值和抗拉強度之間有一定的關(guān)系，因此可按布氏硬度值近似確定金屬材料的抗拉強度。

如被試金屬硬度過高，將影響硬度值的準確性，所以布氏硬度試驗一般適于測定布氏硬度值小于650的金屬材料。

布氏硬度壓痕較大，故不宜測定成品及薄片材料。

布氏硬度注意事項

HBS和HBW都是布氏硬度符號，但是有區(qū)別，而且HBS已經(jīng)停止使用。在2003年6月1日以前，我國執(zhí)行的是國家標準GB/T231-1984，布氏硬度試驗用鋼球壓頭進行試驗的用HBS表示，用硬質(zhì)合金球頭試驗的用HBW表示。同樣的試塊，當其它試驗條件完全相同的情況下，兩種試驗結(jié)果不同，HBW值往往大于HBS值，而且并無定量的規(guī)律所循。

從2003年6月1日開始，原國標GB/T231-1984廢止，我國等效執(zhí)行國際標準ISO6506，制定了新的國家標準：GB/T231.1-2002，文中明確取消了鋼球壓頭，全部采用硬質(zhì)合金球頭。因此HBS停止使用，全部用HBW表示布氏硬度符號。

2018年5月14日起，有關(guān)布氏硬度實驗標準已更新為“GB∕T 231.1-2018 金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分: 試驗方法”版本，GB/T 231.1-2009已廢止。

維氏硬度試驗法是用夾角為136°的正四棱錐體金剛石壓頭，在規(guī)定載荷作用下壓入被測試金屬表面來測量硬度，并以壓痕單位面積所受的壓力作為計量硬度的指標，維氏硬度以符號HV來表示。維氏硬度試驗法的特點是能適應(yīng)各種軟硬材料以及薄層、表層和顯微區(qū)域的硬度測定，而且測量精度高，但試樣制作要求高、操作較復(fù)雜。

維氏硬度試驗法相對于布氏和洛氏硬度而言，有以下優(yōu)點。

1.試驗負荷可任意選用，不同負荷下的壓痕都滿足相似原理，這樣可便于不同軟硬或厚薄試樣，以及薄層、表層及顯微區(qū)域的硬度測定，并保證同一試樣所測硬度，不受試驗負荷的影響。

2.壓頭采用金剮石四方角錐，故可像洛氏硬度一樣適用于各種軟硬材料，但又克服了洛氏硬度各種標度不能統(tǒng)一的缺點，見圖3。

3.由于金剛石四方角錐的壓痕輪廓比布氏的球形輪廓清晰，因此測量壓痕對角線時，比布氏法測量壓痕直徑更準確；另外，四方角錐的壓痕對角線長度剛好是壓入深度的7倍，所以測量壓痕對角線長度比洛氏硬度測定壓入深度更準確；故用維氏硬度試驗法測維氏硬度壓頭角錐錐面夾角的確定定硬度精確度高，特別適用于測定高硬度、薄層、顯微區(qū)域（壓痕都很?。┑挠捕仍囼灐?

4.由于選用夾角為136°的四方角錐，可以使維氏硬度的壓痕面積F_凹和布氏硬度的壓痕面積F_凹相等，這樣維氏硬度試驗法所測數(shù)值HV與布氏硬度法所測數(shù)值HB基本相等，維氏硬度值與抗拉強度之間也保持一定關(guān)系。但是在HB大于400時，由于鋼球本身變形之故，布氏硬度值HB小于維氏硬度值HV。如圖4所示，可以證明壓痕直徑為0.375D（D為鋼球直徑）的球形凹陷面積正好與面夾角為136°的四方角錐凹陷面積相等。

維氏硬度與布氏硬度一樣，也是根據(jù)壓痕凹陷面積上所受的應(yīng)力來確定其硬度值。即

式中，F(xiàn)-試驗力（N）；

S₀-壓痕凹陷面積（mm²）。

但維氏硬度所用的壓頭不是鋼球，而是錐面夾角為136°的金剛石四方角錐。由于采用的是金剛石四方角錐，不管壓頭上的試驗力如何改變，試樣上壓痕的幾何形狀恒相似。因此，維氏硬度試驗時，試驗力F的大小可任意選擇。經(jīng)計算可證明：

式中，F(xiàn)-試驗力（N）；

d-壓痕對角線長度的算術(shù)平均值（mm）。

一式可用來計算維氏硬度值，但實際生產(chǎn)中常用直接查表方法來獲得HV數(shù)值。一般硬度計說明書上都供應(yīng)一系列標準試驗力下的HV-d關(guān)系表，只要測出壓痕對角線長度d，根據(jù)所用的試驗力，在相應(yīng)的關(guān)系表中即可查出HV值。另外，用于測定鋼表面硬化層、滲層和鍍層硬度的小負荷維氏硬度計，以及用于測定顯微組織硬度的顯微硬度計，其試驗原理與維氏硬度的試驗原理相同，只是施加的試驗力更小，產(chǎn)生的壓痕也越小，而試驗機上測量對角線用的顯微鏡則有更高的放大倍數(shù)。為此，我國參照ISO標準將原來的3個國家標準《金屬維氏硬度試驗方法》、《金屬小負荷維氏硬度試驗方法》、《金屬顯微維氏硬度試驗方法》，合并為一個國家標準GB/T 4340.1-1999《金屬維氏硬度試驗第一部分：試驗方法》。