機械性能試驗——硬度

　　一、硬度試驗的意義及分類

　　 金屬力學性能試驗包括硬度、靜拉伸、壓縮、彎曲、靜扭轉、剪切、沖擊、斷裂韌度、疲勞、磨損、高溫性能等等試驗方法。

　　 這些試驗是對有規定尺寸和形狀的試樣（或工件），在專用實驗儀器和設備上，在規定條件下，施加有特定含義的試驗載荷，從而使試驗結果能夠表征材料（或工件）的各種機械性能指標。

　　 本文主要講述硬度試驗。

　　 硬度，顧名思義，就是材料的軟硬程度。它是材料的諸多力學性能指標中最常用的性能指標之一。其意義是表征金屬表面局部體積內抵抗變形的能力或金屬抵抗破裂的能力。

　　 金屬的硬度沒有確切的物理意義，但是它與材料的靜強度、疲勞強度存在近似的經驗關系，還與冷成型、切削性、焊接性等工業性能也間接存在某些關系。因此，硬度值對于控制材料冷熱加工工藝質量有一定的參考意義。硬度還與玻璃、陶瓷等脆性材料的斷裂韌度存在一定的經驗關系。此外，表面硬度和顯微硬度試驗可以反映金屬表面及其局部范圍內的力學行為，因此，可以用于檢驗材料表面處理的結果或微區組織鑒定。

　　 硬度測試按獲得硬度值的方法可以分為壓入法、回跳法、劃痕法三種。壓入法主要有布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度、顯微維氏硬度及努氏硬度；回跳法有里氏硬度、肖氏硬度；劃刻法有莫氏硬度。上述硬度試驗方法均在不同的工業生產領域中得到了廣泛的應用。

　　二、布氏硬度試驗

　　2.1 布氏硬度試驗原理和規定

　　 布氏硬度試驗法是用一定直徑的硬質合金壓頭施加試驗力，使其壓入試件表面（見圖1），在一定范圍內，試驗力與壓痕面積成正比，此比值即可表示為布氏硬度（1-1），可見布氏硬度有點兒類似壓應力的概念。

　　由于測試零件厚度和材料硬度不同，如果只采用一個標準的試驗力，則對鋼材和厚工件雖然合適，但對軟金屬（如鋁、錫等）或薄的工件（如厚度＜2mm）就不適合，這時要根據不同材料和工件厚度，選擇不同的試驗力F和壓球直徑D的搭配。為了得到統一的、可以比較的HBW值，布氏硬度壓痕需要遵守相似法則，保證壓痕幾何形狀相似，也就是說保證壓入角φ恒定

　　2.3 布氏硬度試驗的特點及主要事項

　　2.3.1特點

　　 布氏硬度的優點是其硬度值代表性全面，數據穩定，測量精度較高。因為其壓痕面積較大，能反映金屬表面較大范圍內各組成相綜合平均的性能數值，故特別適用于測定灰鑄鐵、軸承合金等具有粗大晶粒或較粗大組成相的金屬材料。

　　 其缺點是操作時間較長，對不同材料的式樣需要更換不同直徑的壓頭球和不同的試驗力，壓痕測量也較費時間。在進行高硬度材料測試時，由于壓頭球本身的變形，會使測量結果不準確，因此一般對硬度＞ 650HBW的材料，便不能使用。還由于壓痕較大，成品檢驗和薄件測試會產生無法解決的困難。

　　2.3.2主要事項

　　 為了測試準確性，試驗過程中應注意以下事項：

　　 1）試樣厚度

　　 試樣厚度應大于壓痕深度的10倍以上，在壓痕相對的一面，不應有影響加載的弧形面等凹陷存在。

　　 2）試驗件表面

　　 平整表面能獲得最佳結果。半徑小于25.4mm的弧形試驗表面不應作試驗。

　　 3）壓痕間距

　　 為了測量精度，壓痕中心到工件任一邊沿的距離應大于壓痕直徑的三倍，相鄰壓痕的中心間距也應大于壓痕直徑的三倍。

　　 4）被測工件表面粗糙度

　　 布氏硬度的精度與壓痕的清晰度有關，表面應當經過切削、研磨或者拋光。另外為了測量精度，工件表面必須能代表材料本體。表面脫碳或表層硬化層都必須在試驗前去除掉。

　　 5）砧座

　　 為了保證實驗表面與試驗力方向垂直（允許＜2°范圍），工件在實驗時移動量最少。工件必須正確地放在砧座上。

　　 6）特別說明：用淬火鋼做壓頭球時，布氏硬度表示為HBS，而用硬質合金做壓頭球時，布氏硬度則表示為HBW。HBS與HBW不是完全相同，在低硬度時兩者相差不大，而在高硬度時候，相差很大，實踐中應注意區別。

　　三、洛氏硬度試驗

　　3.1 洛氏硬度試驗原理和規定

　　 洛氏硬度試驗是目前應用最廣泛的試驗方法，它與布氏硬度不同，不是測試壓痕直徑表示硬度值，而是測量壓痕深度來表示硬度值。它以深度值 t 表示材料的硬度指標，金屬越硬，t 值越小；反之，t 值越大，金屬越軟。但是，如果直接將 t 的大小作為硬度指標，將與人們對硬度高低的習慣認識相悖，為此，選取了一常數K，減去壓痕深度，即（K-t）作為硬度值的指標，并規定每0.002mm（也就是2μm）為一個洛氏單位，用符號HR表示

　　 為保證壓頭與式樣表面接觸良好，試驗時首先加一初始試驗力（100N），在金屬表面得一壓痕深度t0，此時旋轉表盤使指針指“0”，圖4a ），這表明壓痕深度t0不計入硬度值。然后再加主試驗力1400N，壓頭壓入深度為t1，表盤上指針以逆時針方向轉動到相應位置，圖4 b）。當主載荷試驗力卸去后，總變形中的彈性變形部分將恢復，壓頭將回升一段距離（t1-t），圖4c），這時金屬表面總變形中殘留下來的塑形變形部分即為壓痕深度t，而表盤上順時針所指位置，即代表HRC硬度值。

　　 洛氏硬度試驗具有以下優點：

　　 （1）因洛氏有不同標尺，壓頭有硬質、軟質多種，可以測出從極軟到極硬的材料的硬度，不存在壓頭變形問題。

　　 （2）壓痕小，對工件損傷極其輕微。

　　 （3）操作簡單迅速，立刻得出數據。缺點是采用不同的硬度級別測得的硬度去發進行統一比較，不像布氏硬度那樣可以根據硬度數值直接比較材料軟硬相差程度。此外，因壓痕小，對于具有較粗大組織的材料，得數缺乏代表性，因此，粗大組織或者有粗大相組成的材料不宜采用洛氏硬度試驗。

　　3.2 幾種特殊洛氏硬度試驗方法

　　3.2.1曲面洛氏硬度試驗法

　　 采用洛氏硬度試驗方法測定曲率半徑較大的彎曲面或柱面的硬度時，可能會帶來較大誤差，需要進行一定的修正

　　表面洛氏硬度試驗法

　　 表6中15N、30N、45N、15T、30T、45T為表面洛氏硬度試驗方法，屬于輕載荷洛氏硬度試驗法，初始試驗力為29.42N（3kgf），總試驗力為147.1N（15kgf）、294.2N（30kgf）、441.3N（45kgf），并以0.001mm（1μm）壓痕深度為一個硬度單位，表盤滿刻度100。一般用于測定極薄材料、薄層化學熱處理零件、微小零件的表面硬度。

　　洛氏硬度試驗的主要事項和局限性

　　 1）試樣表面的制備

　　 對于1471N（150kgf）試驗力的金剛石壓頭或980.7N（100kgf）試驗力的淬火鋼球壓頭，表面精磨已經足夠，粗磨也可達到要求，有車加工刀紋的試件，需要將刀紋打磨去除。對于輕載荷（如147.1N（15kgf）試驗力），一般磨光或拋光表面。另外，表面缺陷如脫碳、氧化等，應當去除后才可側得準確值。一般情況下，務必打磨露出金屬本體才可以測試準確。

　　 2）壓痕間距

　　 量壓痕中心間距必須大于倍壓痕直徑，壓痕中心距邊沿距離應大于2.5倍壓痕直徑。

　　 3）試驗尺寸和形狀

　　 對于特殊形狀的工件（如大件、長件、片狀件、薄壁體、環形件、管材等等），需要附加支承裝置。對于大而笨重的工件必須放在支架或特殊的墊塊上，對長試樣，應當避免在試樣和壓頭之間產生附加彎曲，而不是單純的壓應力，在測定長試樣一端時，另一端應支撐在輔助支架上，不應用手來代替支架。對于圓柱形式的試樣應采用v型砧座。

　　 為適應各種形狀工件，可以做的特殊砧座，可以訂貨。

　　四、維氏硬度和努氏硬度試驗

　　維氏硬度試驗

　　維氏硬度試驗原理和方法：維氏硬度原理基本上和布氏硬度相同，也是根據單位壓痕上所受的實驗力計算硬度值。所不同的是維氏硬度采用了錐面夾角為136°的金剛石四棱錐體。由于壓入角φ恒定不變，使得試驗力改變時，壓痕的幾何形狀相似。因此，在維氏硬度實驗中，理論上講，試驗力可以任意選擇，而所得的硬度值相同，這是維氏硬度實驗的主要優點，也是最大優點。四棱錐面夾角之所以選擇136°，是為了所測數據與HBW值能得到最大的接近。因為一般布氏硬度試驗時壓痕直徑d，多半在0.25~0.5D（壓球直徑）之間，取平均值0.375D，這時布氏硬度的壓入角恰好是φ=44°，而136°四棱錐形壓痕的壓入角也是44°，所以在中低硬度范圍內，維氏硬度與布氏硬度值很接近。