硬度試驗(yàn)

硬度試驗(yàn)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(yàn)時用一套硬度等級不同的參比材料與被測材料相互進(jìn)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(yàn)等。

硬度試驗(yàn)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(yàn)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(jì)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(yàn) 3種方法。

硬度試驗(yàn)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(yàn)?zāi)p法

對于磨損抵抗謂之磨耗硬度，例如：磨耗試驗(yàn)等。

硬度試驗(yàn)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(yàn)等。

在各種硬度試驗(yàn)中，對試樣的要求有以下幾點(diǎn)：

（1）牌號命名規(guī)范

針對我國超高強(qiáng)度鋼牌號多為引進(jìn)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(jī)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(bǔ)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(qiáng)度鋼牌號，應(yīng)盡量推廣使用，在通用標(biāo)準(zhǔn)中納入。

（2）基本要求通用化

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

（3）行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)統(tǒng)一

冶金、航空、航天等部門要統(tǒng)一認(rèn)識，相互協(xié)調(diào)、分工負(fù)責(zé)。規(guī)范超高強(qiáng)度鋼行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定原則，協(xié)調(diào)規(guī)范超高強(qiáng)度鋼行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)， 形成冶金、航空、航天等部門超高強(qiáng)度鋼行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一體系。2100433B

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

①試驗(yàn)可在零件上直接進(jìn)行而不論零件大小、厚薄和形狀；

②試驗(yàn)時留在表面上的痕跡很小，零件不被破壞；

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

由于硬度與其他機(jī)械性能有一定關(guān)系，也可根據(jù)硬度估計(jì)出零件和材料的其他機(jī)械性能。硬度試驗(yàn)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(jì)二十年代前后，布氏、洛氏、肖氏、維氏等硬度試驗(yàn) 方法相繼問世。硬度值雖然不能直接用于機(jī)件設(shè)計(jì)，但因?yàn)橛捕仍囼?yàn)簡便易行，常用于材料質(zhì)量控 制和試驗(yàn)研究。硬度試驗(yàn)可分為靜態(tài)法和動態(tài)法兩 類。

硬度試驗(yàn)布氏硬度試驗(yàn)

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(yàn)的原理。試驗(yàn)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(jì)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(yàn)在布氏硬度計(jì)上進(jìn)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(yàn)洛氏硬度試驗(yàn)

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(yàn)方法。試驗(yàn)時以錐角為120°的金剛石圓錐或直徑為1.588毫米的鋼球?yàn)閴侯^，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(shí)際上，在洛氏硬度計(jì)上可以不經(jīng)計(jì)算直接在表盤上讀出HR值。

為了用一種硬度計(jì)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(biāo)尺，常用的有HRA、HRB、HRC 3種方法。

洛氏硬度試驗(yàn)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(yàn)維氏硬度試驗(yàn)

英國維克斯公司提出的一種試驗(yàn)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(jì)算壓痕表面積F（毫米2），則維氏硬度值HV可由下式計(jì)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(yàn)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(dāng)維氏硬度試驗(yàn)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(yàn)。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(yàn)肖氏硬度試驗(yàn)

由美國人A.F.肖爾提出，又稱回跳硬度試驗(yàn)。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(yàn)只適合對彈性模量相同的材料進(jìn)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(yàn)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(jì)體積小，攜帶方便，便于現(xiàn)場應(yīng)用。

硬度試驗(yàn)動態(tài)布氏硬度試驗(yàn)

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(biāo)準(zhǔn)桿和被測件之間，用錘敲擊，測出標(biāo)準(zhǔn)桿和被測件的壓痕大小，進(jìn)行比較后，求出被測件的硬度。

洛氏硬度試驗(yàn)是簡便、迅速的硬度測試方法。洛氏硬度試驗(yàn)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(yàn)力的不同組合區(qū)分為洛氏硬度標(biāo)尺（A、B、C、D、E、F、G、H、K、L、M、P、R、S、V……）。

布氏硬度試驗(yàn)原理

布氏硬度HB的計(jì)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(jì)算或查表求出 HB值。

試驗(yàn)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(yàn)方法和技術(shù)要求可參見GB231—63。

布氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是代表性強(qiáng)，數(shù)據(jù)重復(fù)性好，與強(qiáng)度之間存在一定的換算關(guān)系。缺點(diǎn)是不能測試較硬的材料；壓痕較大，不適于成品檢驗(yàn)。通常用來檢驗(yàn)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(yàn)條件

布氏硬度試驗(yàn)時，壓頭球體的直徑D、試驗(yàn)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(jìn)行選擇。 常用的壓頭直徑 1、2、2.5、5和10毫米五種。

試驗(yàn)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(diǎn)

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(zhǔn)確。 布氏硬度值和抗拉強(qiáng)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(qiáng)度。

如被試金屬硬度過高，將影響硬度值的準(zhǔn)確性，所以布氏硬度試驗(yàn)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(xiàng)

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(biāo)準(zhǔn)GB/T231-1984，布氏硬度試驗(yàn)用鋼球壓頭進(jìn)行試驗(yàn)的用HBS表示，用硬質(zhì)合金球頭試驗(yàn)的用HBW表示。同樣的試塊，當(dāng)其它試驗(yàn)條件完全相同的情況下，兩種試驗(yàn)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(biāo)GB/T231-1984廢止，我國等效執(zhí)行國際標(biāo)準(zhǔn)ISO6506，制定了新的國家標(biāo)準(zhǔn)：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(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)已更新為“GB∕T 231.1-2018 金屬材料 布氏硬度試驗(yàn) 第1部分: 試驗(yàn)方法”版本，GB/T 231.1-2009已廢止。

維氏硬度試驗(yàn)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(jì)量硬度的指標(biāo)，維氏硬度以符號HV來表示。維氏硬度試驗(yàn)法的特點(diǎn)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(yàn)法相對于布氏和洛氏硬度而言，有以下優(yōu)點(diǎn)。

1.試驗(yàn)負(fù)荷可任意選用，不同負(fù)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(yàn)負(fù)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(biāo)度不能統(tǒng)一的缺點(diǎn)，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(zhǔn)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(zhǔn)確；故用維氏硬度試驗(yàn)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?yàn)。

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(yàn)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(qiáng)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(yàn)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(yàn)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(yàn)時，試驗(yàn)力F的大小可任意選擇。經(jīng)計(jì)算可證明：

式中，F(xiàn)-試驗(yàn)力（N）；

d-壓痕對角線長度的算術(shù)平均值（mm）。

一式可用來計(jì)算維氏硬度值，但實(shí)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(jì)說明書上都供應(yīng)一系列標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)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(yàn)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(fù)荷維氏硬度計(jì)，以及用于測定顯微組織硬度的顯微硬度計(jì)，其試驗(yàn)原理與維氏硬度的試驗(yàn)原理相同，只是施加的試驗(yàn)力更小，產(chǎn)生的壓痕也越小，而試驗(yàn)機(jī)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(biāo)準(zhǔn)將原來的3個國家標(biāo)準(zhǔn)《金屬維氏硬度試驗(yàn)方法》、《金屬小負(fù)荷維氏硬度試驗(yàn)方法》、《金屬顯微維氏硬度試驗(yàn)方法》，合并為一個國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4340.1-1999《金屬維氏硬度試驗(yàn)第一部分：試驗(yàn)方法》。