金屬材料的硬度

  硬度是評定金屬材料力學性能zui常用的指標之一。對于金屬材料的硬度，至今在國內外還沒有一個包括所有試驗方法的統一而明確的定義。就已經標準化的、被國內外普通采用的金屬硬度試驗方法而言，金屬材料硬度的定義是:材料抵抗另一較硬材料壓入的能力。

硬度檢測是評價金屬力學性能zui迅速、、zui簡單的一種試驗方法。硬度檢測的主要目的就是測定材料的適用性，或材料為使用目的所進行的特殊硬化或軟化處理的效果。對于被檢測材料而言，硬度是代表著在一定壓頭和試驗力作用下所反映出的彈性、塑性、強度、韌性及磨損抗力等多種物理量的綜合性能。由于通過硬度試驗可以反映金屬材料在不同的化學成分、組織結構和熱處理工藝條件下性能的差異，因此硬度試驗廣泛應用于金屬性能的檢驗、監督熱處理工藝質量和新材料的研制。金屬硬度檢測主要有兩類試驗方法。一類是靜態試驗方法，這類方法試驗力的施加是緩慢而無沖擊的。硬度的測定主要決定于壓痕的深度、壓痕投影面積或壓痕凹印面積的大小。靜態試驗方法包括布氏、洛氏、維氏、努氏、韋氏、巴氏等。其中布、洛、維三種試驗方法是zui長用的，它們是金屬硬度檢測的主要試驗方法。而洛氏硬度試驗又是應用zui多的，它被廣泛用于產品的檢驗，據統計，目前應用中的硬度計70%是洛氏硬度計。另一類試驗方法是動態試驗法，這類方法試驗力的施加是動態的和沖擊性的。這里包括肖氏和里氏硬度試驗法。動態試驗法主要用于大型的，不可移動工件的硬度檢測。

1.布氏硬度計原理

　　對直徑為D的硬質合金壓頭施加規定的試驗力，使壓頭壓入試樣表面，經規定的保持時間后，除去試驗力，測量試樣表面的壓痕直徑d，布氏硬度用試驗力除以壓痕表面積的商來計算。
　　圖1布氏硬度試驗原理
　　HB =F / S ……………… （1-1）
　　=F / πDh ……………… （1-2）
　　= ……………… （1-3）
　　式中：F —— 試驗力，N；
　　S —— 壓痕表面積，mm；
　　D —— 球壓頭直徑，mm；
　　h —— 壓痕深度， mm；
　　d —— 壓痕直徑，mm

布氏硬度計的特點：
　　布氏硬度試驗的優點是其硬度代表性好，由于通常采用的是10 mm直徑球壓頭，3000kg試驗力，其壓痕面積較大，能反映較大范圍內金屬各組成相綜合影響的平均值，而不受個別組成相及微小不均勻度的影響，因此特別適用于測定灰鑄鐵、軸承合金和具有粗大晶粒的金屬材料。它的試驗數據穩定，重現性好，精度高于洛氏，低于維氏。此外布氏硬度值與抗拉強度值之間存在較好的對應關系。
　　布氏硬度試驗的缺點是壓痕較大，成品檢驗有困難，試驗過程比洛氏硬度試驗復雜，測量操作和壓痕測量都比較費時，并且由于壓痕邊緣的凸起、凹陷或圓滑過渡都會使壓痕直徑的測量產生較大誤差，因此要求操作者具有熟練的試驗技術和豐富經驗，一般要求由專門的實驗員操作。

布氏硬度與抗拉強度的關系
　　由于布氏硬度試驗能夠反映出試樣較大范圍內的綜合性能，因此布氏硬度與材料的其他機械性能關系密切，尤其是與抗拉強度存在近似的換算關系：
　　σ_b=K·HB ……………… （1-6）
　　式中：σ_b—抗拉強度值，MN/m²；
　　K—常數，不同材料有不同的數值。
　　通過測試布氏硬度可以間接得到材料的抗拉強度。這一點在生產實際中具有重大意義。可以通過測量硬度的方法得到近似的強度值，這樣既可以提高工作效率，又可以節省材料。
　　部分金屬材料的換算關系如1-3表所示。

2.洛氏硬度計原理

在規定條件下，將壓頭（金剛石圓錐、鋼球或硬質合金球）分2個步驟壓入試樣表面。卸除主試驗力后，在初試驗力下測量壓痕殘余深度h。以壓痕殘余深度h代表硬度的高低。洛氏硬度試驗原理如圖2-1所示。

1—在初始試驗力F₀下的壓入深度；2—在總試驗力F₀+F₁下的壓入深度；3—去除主試驗力F₁后的彈性回復深度；4—殘余壓入深度h；5—試樣表面；6—測量基準面；7—壓頭位置

　洛氏硬度試驗分為2種，一種是普通洛氏硬度試驗，一種是表面洛氏硬度試驗。洛氏硬度試驗采用120⁰金剛石圓錐和 1.588mm、 3.175mm鋼球三種壓頭，采用60kg、100kg、150kg三種試驗力，它們共有九種組合，對應于洛氏硬度的九個標尺，即HRA、HRB、HRC、HRD、HRE、HRF、HRG、HRH、HRK。表面洛氏硬度試驗采用120⁰金剛石圓錐和 1.588mm鋼球2種壓頭，采用15kg、30kg、45kg三種試驗力，它們共有六種組合，對應于表面洛氏的六個標尺，即HR15N、HR30N、HR45N、HR15T、HR30T、HR45T。

洛氏硬度標尺技術條件

表面洛氏硬度標尺技術條件

（取自國家標準GB/T230.1-2004　　　　　　　　　　注：力值單位9.8N=1kg）

洛氏硬度計特點

   洛氏硬度試驗操作簡單，測量迅速，可在指示表上直接讀取硬度值，工作效率高，成為zui常用的硬度試驗方法之一。由于試驗力較小，壓痕也小，特別是表面洛氏硬度試驗的壓痕更小，對大多數工件的使用無影響，可直接測試成品工件，初試驗力的采用，使得試樣表面輕微的不平度對硬度值的影響較小，因此，此儀器非常適于在工廠使用，適于對成批加工的成品或半成品工件進行逐件檢測，

該試驗方法測量操作的要求不高，非專業人員容易掌握。

3.維氏硬度計原理

3.1 維氏硬度計原理
　　采用正四棱錐體金剛石壓頭，在試驗力作用下壓入試樣表面，保持規定時間后，卸除試驗力，測量試樣表面壓痕對角線長度，見圖3-1。
　　
　　圖3-1維氏硬度試驗原理圖
　　試驗力除以壓痕表面積的商就是維氏硬度值。維氏硬度值按式（３－１）計算：
　　HV = 常數×試驗力/壓痕表面積 ≈0.1891 F／d² …………（3－1）
　　式中：HV　　————　　維氏硬度符號；
　　      F　　――――　　試驗力，N；
　　      d　　————　　壓痕兩對角線d₁、d₂的算術平均值，mm
　　實用中是根據對角線長度d通過查表得到維氏硬度值。
　　國家標準規定維氏硬度壓痕對角線長度范圍為0.020～1.400mm
　　3.2 維氏硬度的表示方法
　　維氏硬度表示為HV，維氏硬度符號HV前面的數值為硬度值，后面為試驗力值。標準的試驗保持時間為10～15S。如果選用的時間超出這一范圍，在力值后面還要注上保持時間。例如：
　　600HV30—表示采用294.2N（30kg）的試驗力，保持時間10～15S時得到的硬度值為600。
　　600HV30/20—表示采用294.2N（30kg）的試驗力，保持時間20S時得到的硬度值為600。
　　3.3 維氏硬度試驗的分類和試驗力選擇
　　維氏硬度試驗按試驗力大小的不同，細分為三種試驗，即：維氏硬度試驗、小負荷維氏硬度試驗和顯微維氏硬度試驗。見表3-1
　表3-1維氏硬度試驗的三種方法

　　維氏硬度試驗可選用的試驗力值很多，見表3-2。
　　表3-2推薦的維氏硬度試驗力

　　試驗力的選擇要根據試樣種類、試樣厚度和預期的硬度范圍而定。標準規定，試樣或試驗層的厚度至少為壓痕對角線長度的1.5倍。試驗后試樣背面不應出現可見的變形痕跡。

3.4 維氏硬度試驗的優點

　　維氏硬度試驗的壓痕是正方形，輕廓清晰，對角線測量準確，因此，維氏硬度試驗是常用硬度試驗方法中精度zui高的，同時它的重復性也很好，這一點比布氏硬度計*。

　　維氏硬度試驗測量范圍寬廣，可以測量目前工業上所用到的幾乎全部金屬材料，從很軟的材料（幾個維氏硬度單位）到很硬的材料（3000個維氏硬度單位）都可測量。

　　維氏硬度試驗zui大的優點在于其硬度值與試驗力的大小無關，只要是硬度均勻的材料，可以任意選擇試驗力，其硬度值不變。這就相當于在一個很寬廣的硬度范圍內具有一個統一的標尺。這一點又比洛氏硬度試驗來得*。

　　3.5 維氏硬度試驗的缺點

維氏硬度試驗效率低，要求較高的試驗技術，對于試樣表面的光潔度要求較高，通常需要制作專門的試樣，操作麻煩費時，通常只在實驗室中使用。

3.6 維氏硬度計的應用

維氏硬度試驗主要用于材料研究和科學試驗方面小負荷維氏硬度試驗主要用于測試小型精密零件的硬度，表面硬化層硬度和有效硬化層深度，鍍層的表面硬度，薄片材料和細線材的硬度，刀刃附近的硬度，牙科材料的硬度等，由于試驗力很小，壓痕也很小，試樣外觀和使用性能都可以不受影響。顯微維氏硬氏試驗主要用于金屬學和金相學研究。用于測定金屬組織中各組成相的硬度，用于研究難熔化合物脆性等。顯微維氏硬度試驗還用于極小或極薄零件的測試，零件厚度可薄至３μm。

里氏硬度計原理

用規定質量的沖擊體在彈力作用下以一定速度沖擊試樣表面，用沖頭在距離試樣表面1mm處的回彈速度與沖擊速度之比計算出的數值就是里氏硬度。里氏硬度計實際上是肖氏硬度計的改進型，它們測定的都是沖擊體在試樣表面經試樣塑性變形消耗能量后的剩余能量。

里氏硬度的計算公式如下：

HL=1000×U_R/U_A

式中：HL　————里氏硬度符號

U_A ————球頭的沖擊速度，m/s；

U_R ————球頭的反彈速度，m/s。

4.里氏硬度計特點

里氏硬度計儀器輕巧，測試簡便，快速，讀數方便，適于檢測硬度范圍很寬的金屬材料，并且可以從不同方向進行測試，非常適于在現場對大型工件、組裝件進行硬度測試，里氏硬度計比肖氏硬度計有了很大的技術進步。

里氏硬度計的缺點是這種試驗方法在上還沒有被普遍接受，迄今還沒有被標準化組織（ISO）采納，試驗數據在上還缺乏來自獨立的第三方或組織方面的監督與復核。

里氏硬度試驗要求試樣有一定的質量和厚度，不適于測試小工件。

里氏硬度計主要用于在現場快速測試大型的、組裝的、不便移動的、不允許切割試樣的工件，用于測試大型模具、大型鍛造件、鑄造件，可以靈活地測試大型工件不同部位的硬度，里氏硬度計是大型工件硬度測試上非常有效實用的檢測手段，在國內里氏硬度計有取代肖氏硬度計的趨勢。

里氏硬度計不能測試表面硬化工件，通過耦合的辦法測試小零件往往是不可靠的，目前有被誤導測試小零件的傾向。對于中、小零件應盡量采用上通用的靜態硬度測試方法。里氏硬度計試驗與肖氏硬度試驗相同，里氏硬度試驗結果的比較也是于彈性模量相同或相近的材料。

5.韋氏硬度計

韋氏硬度計原理

一定形狀的硬鋼壓針，在標準彈簧試驗力作用下壓入試樣表面，用壓針的壓入深度確定材料硬度，定義0.01mm的壓入深度為一個韋氏硬度單位。韋氏硬度單位表示為HW。

韋氏硬度計的特點

韋氏硬度計是小型便攜式儀器，它體積小、重量輕、可單手操作，可快速、方便、無損地測試材料硬度，它不必取樣，對操作技能要求不高，非常適于在生產現場對材料進行快速硬度檢測。

韋氏硬度計的缺點是靈敏度較差，量程較窄，全量程只有20個刻度，因此通常一臺儀器只能測試1~2種金屬材料。

韋氏硬度計的應用

韋氏硬度計采用兩種不同形狀的壓針，兩種不同的試驗力，它們的組合構成三種不同型號的儀器，分別用于測試鋁合金、軟銅、硬銅、超硬鋁合金和軟鋼。韋氏硬度計適于測試具有兩個平行面的材料，例如管材、板材和型材，材料厚度zui大可達到13mm。

韋氏硬度計非常適于在生產現場對成批產品進行逐件檢測，盡管它的靈敏度不高，但是作為生產控制與合格判定儀器已經能夠滿足要求，正是由于這個原因，韋氏硬度計在鋁加工行業得到了相當廣泛的應用。

6.巴氏硬度計
　 巴氏硬度計的原理
　　一定形狀的硬鋼壓針，在標準彈簧試驗力作用下，壓入試樣表面，用壓針的壓入深度確定材料硬度，定義每壓入0.0076mm為一個巴氏硬度單位。巴氏硬度單位表示為HBa。

巴氏硬度計的特點
　　巴氏硬度計是一種可單手操作的便攜式儀器，它體積小，重量輕，可快速、方便、無損地測試材料硬度，它不必取樣，對操作技能要求不高，非常適于在生產現場和倉庫對材料進行快速檢驗。
　　巴氏硬度計有100個刻度，精度比韋氏硬度計高，它的使用不受材料厚度的限制，可以測試更厚的材料，巴氏硬度計有一個支腳，測量時要使之與壓針處于同一水平面內，以保證壓針垂直壓下，為了墊平這個支腳，在測試小尺寸工件時會有些不便。
　巴氏硬度計的應用
　　巴氏硬度計是韋氏硬度計的良好補充，它主要用于測試鋁及鋁合金，也可以測試其他軟金屬及玻璃鋼。它可測試韋氏硬度計無法測試的超大材料、超厚材料、棒材、大型鍛件、鑄件、組裝件、純鋁及低硬度鋁合金。

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