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材料硬度各種測(cè)量方法的測(cè)試原理及應(yīng)用
來源： 時(shí)間：2022-12-02 10:43:30 瀏覽：15215次

1.引言

在工程領(lǐng)域，材料的硬度對(duì)結(jié)構(gòu)件能否長(zhǎng)期發(fā)揮穩(wěn)定性能至關(guān)重要。材料在外界物體的沖擊下，表面對(duì)形變的抵抗能力，是各類材料軟硬的指標(biāo)。一般而言，材料表面局部范圍內(nèi)抵抗硬物壓入其表面的能力稱為硬度。由于規(guī)定了不同的測(cè)試方法，所以有不同的硬度標(biāo)準(zhǔn)。在此，我們簡(jiǎn)要介紹了各種硬度標(biāo)準(zhǔn)的力學(xué)含義，并重點(diǎn)介紹了顯微硬度的測(cè)試原理及應(yīng)用，以饗讀者。

2.硬度的類型

硬度是衡量材料軟硬程度的一種力學(xué)性能。在力學(xué)定義中，硬度是指材料抵抗表面局部形變的能力—即抵抗更硬物體壓入其表面的能力。硬度更直觀的感受體現(xiàn)在物體表面的塑性變形、壓痕或劃痕。硬度值是反應(yīng)材料硬度大小的重要指標(biāo)，常見的硬度測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)有布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）和維氏硬度（HV）。

2.1 布氏硬度

布氏硬度最早是由瑞典工程師J．A．布里涅耳于1900年提出的，被被廣泛應(yīng)用于機(jī)械和冶金工業(yè)研究。如圖1所示，布氏硬度的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)是在規(guī)定大小的荷載作用下，將直徑為D的鋼球壓入被測(cè)物體表面并保持一定時(shí)間后，利用荷載力P和壓痕面積F的比值（P/F）來判斷材料硬度大小，用HB表示。測(cè)試布氏硬度時(shí)，不同樣品（材質(zhì)和尺寸）要搭配不同尺寸的鋼珠使用。若要使不同直徑的鋼球在同一材料上測(cè)得同樣的硬度，就需要改變載荷值，使壓痕保持幾何相似，相似條件為：P1/D12 = P2/D22。式中P1、P2為荷載力，D1、D2為鋼球直徑。

圖 1 布氏硬度的測(cè)試示意圖

布氏硬度測(cè)定法的適用范圍是較軟的材料，如有色金屬結(jié)構(gòu)件和退火后的鋼板，最高的硬度測(cè)量上限為HB450。這是因?yàn)樘驳牟牧蠒?huì)使鋼珠變形，反而測(cè)不準(zhǔn)。為了在測(cè)定時(shí)得到清晰的壓痕，試樣必須經(jīng)過表面準(zhǔn)備和打磨等處理。在制作完畢的機(jī)械零件上作布氏硬度測(cè)定會(huì)由于壓痕過大影響零件的正常裝配和使用性能。因此，布氏硬度測(cè)定法不適于檢測(cè)大批量生產(chǎn)的零件。常見的布氏硬度測(cè)量規(guī)范總結(jié)在表1中。

2.2 洛氏硬度

洛氏硬度是美國(guó)的S．P．洛克韋爾于1919年提出的，是以壓痕塑性變形深度來確定硬度值的指標(biāo)。它是以直徑為1.588 mm的瘁火鋼球或頂角為120的金剛石圓錐壓人試樣表面后留下的深度來確定材料的硬度值，用HR表示。其測(cè)量原理如圖2所示，首先，樣品在預(yù)載荷P0（98.1N）的作用下壓入試件深度為h0的位置。h0包括預(yù)載所引起的彈性形變和塑性變形。其次，給樣品施加主載荷P1，壓頭在總載荷（P0+P1）的作用下壓入試件。最后，去除主載荷P1并保持P0，記錄此時(shí)的壓入深度h1。由于此時(shí)主載荷P1引起的彈性形變被消除，那么h0和h1之間的差值h（h=h1-h0）即為主載荷P1引起的塑性變形深度。h越大，試樣越軟；h越小，則試樣越硬。

表1 布氏硬度的測(cè)試規(guī)范

圖 2 洛氏硬度的測(cè)試示意圖

表2 洛氏硬度的測(cè)試規(guī)范

洛氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是操作迅速、簡(jiǎn)便，可由表盤上直接讀出硬度值。由于載荷很小，故可復(fù)量較薄工件的硬度。其缺點(diǎn)是精度較差，硬度值波動(dòng)較大，通常應(yīng)在試樣不同部位測(cè)量數(shù)次，取平均值為該材料的硬度值。常見的硬度測(cè)量規(guī)范總結(jié)在表2中。

2.3 維氏硬度

維氏硬度試驗(yàn)方法最早是英國(guó)史密斯（R.L.Smith）和塞德蘭德（C.E.Sandland）于1925年提出的。其測(cè)試原理與布氏硬度相似，都是利用載荷和壓痕面積之間的關(guān)系來確定材料的硬度值，用HV表示。二者的區(qū)別在于施加到試件表面的壓頭不同，維氏硬度試驗(yàn)采用的壓頭是金剛石的四正棱錐柱體。如圖3所示，試驗(yàn)時(shí)，在一定載荷的作用下，試樣表面上壓出一個(gè)四方錐形的壓痕，測(cè)量壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度d，計(jì)算壓痕的表面積F，載荷P除以壓痕面積F的數(shù)值就是試樣的硬度，用符號(hào)HV表示。

HV=P/F，F(xiàn)=d2/2sin68°

維氏硬度的優(yōu)點(diǎn)在于測(cè)量范圍廣，幾乎可以測(cè)量工業(yè)上所用到的全部金屬材料，從很軟的材料（幾個(gè)維氏硬度）到很硬的材料（3000個(gè)維氏硬度）都可測(cè)量。但維氏硬度需要測(cè)量對(duì)角線的長(zhǎng)度，然后通過計(jì)算或查表才能得到硬度值，較為繁瑣。

圖 3 維氏硬度測(cè)量壓頭及壓痕

3.顯微硬度測(cè)試法

           顯微硬度是金相分析中常用的測(cè)試手段之一。它的測(cè)試是在維氏硬度的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，也是利用單位壓痕面積上所承受的載荷來表示材料的硬度值。由于顯微硬度的壓頭尺寸和施加載荷較小，最終留在試樣上的壓痕尺度極?。ㄒ话銕孜⒚椎綆资⒚祝虼藟汉勖娣e的測(cè)量必須在顯微鏡下進(jìn)行，所以稱這種方法為顯微硬度測(cè)試法。

顯微硬度計(jì)主要是由升降系統(tǒng)、工作臺(tái)、加荷系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、電子系統(tǒng)和外殼體組成（圖4）。加荷系統(tǒng)中的壓頭是顯微硬度儀的核心部件，它是鑲嵌在壓頭頂尖的極小金剛石錐體，按照壓頭的形狀可分為維氏（圖5）壓頭和努普（圖6）型壓頭。前者是和維氏硬度壓頭一樣的金剛石正四棱柱壓頭，這種壓頭留在試樣表面的壓痕長(zhǎng)短對(duì)角線相等；后者是使用的金剛石壓頭是對(duì)面角分別為172°30’和130°的四角棱錐，它在試樣表面留下的壓痕是菱形，長(zhǎng)短對(duì)角線比值為7.11：1。

圖 4 上海鉅晶公司生產(chǎn)的數(shù)顯顯微硬度計(jì)

不管是哪種壓頭，顯微硬度的測(cè)量值都是按下式計(jì)算：

HV=常數(shù)×實(shí)驗(yàn)力/壓痕表面積

對(duì)于對(duì)角面均為136°的維氏壓頭，HV=0.1891·F/d2，其中F和d分別為載荷和壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度；

對(duì)于對(duì)角面為172°30’和130°的努普氏壓頭，HK=139.54·P/L2,其中P和L分別為載荷和壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度。

圖 5 顯微硬度用維氏金剛石壓頭

圖 6 顯微硬度用努普氏金剛石壓頭

3.1 顯微硬度試驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：顯微硬度試驗(yàn)是一種真正的非破壞性試驗(yàn)，其得到的壓痕小，壓入深度淺，在試件表面留下的痕跡可忽略，因而適用于各種零件及成品的硬度試驗(yàn)；兼容性強(qiáng)，可對(duì)脆性材料或零件進(jìn)行硬度測(cè)試，不易產(chǎn)生碎裂；得到的結(jié)構(gòu)信息豐富，通過對(duì)試件進(jìn)行縱深硬度測(cè)試，以判定電鍍、氮化、氧化或滲碳層的厚度；測(cè)試精度高，所得壓痕為棱形，輪廓清楚，其對(duì)角線長(zhǎng)度的測(cè)量精度高。

缺點(diǎn)：試件尺寸不可太大；如要知道材料或零件的硬度，則必須對(duì)試件進(jìn)行多點(diǎn)硬度試驗(yàn)；對(duì)試件的表面質(zhì)量要求較高，尤其是要求表面粗糙度要在RA0.05以上；對(duì)測(cè)試環(huán)境要求高，尤其是要求有嚴(yán)格的防振措施。

3.2 顯微硬度試驗(yàn)影響因素

1、測(cè)量誤差：主要是由載荷測(cè)量誤差△F及壓痕測(cè)量誤差△2d引起的，其誤差可按下式計(jì)算：

△HV= HV（（△F/F）+（△2d/d））

測(cè)量誤差屬靜態(tài)誤差，操作過程和儀器精度密切相關(guān)。

2、試樣的表面狀態(tài)：被測(cè)試樣的表面狀態(tài)直接影響結(jié)果的可靠性，測(cè)定顯微硬度的試樣與普通金相樣品的制備相同，磨光、拋光時(shí)應(yīng)盡量避免表層微量的塑性變形引起的加工硬化。

3、加載部位：壓痕在被測(cè)晶粒上的部位及被測(cè)晶粒的厚度對(duì)顯微硬度值均有影響。在選擇測(cè)量對(duì)象時(shí)應(yīng)選取較大截面的晶粒，因?yàn)檩^小截面的晶粒厚度可能較薄，測(cè)量結(jié)果可能會(huì)受晶界或相鄰第二相的影響。

4、試驗(yàn)載荷：為保證測(cè)量的準(zhǔn)確度，試驗(yàn)載荷在原則上應(yīng)盡可能大，且壓痕大小必須與晶粒大小成一定比例，在測(cè)定軟基體上硬質(zhì)點(diǎn)時(shí)，被測(cè)點(diǎn)截面直徑必須4倍于壓痕對(duì)角線長(zhǎng)，否則將可能得到不準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)。此外測(cè)定脆性相時(shí)，高載荷可能出現(xiàn)“壓碎”現(xiàn)象，從而使得到的硬度值不準(zhǔn)確。

5、載荷施加速度及保持時(shí)間：硬度定義中的載荷是指靜態(tài)的含義，但實(shí)際上一切硬度試驗(yàn)中載荷都是動(dòng)態(tài)，是以一定的速度施加在試樣上，由于慣性的作用，加荷機(jī)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)附加載荷，這會(huì)使硬度值偏低，為了消除這個(gè)附加載荷的影響，在施加載荷時(shí)應(yīng)以盡可能平穩(wěn)、緩慢的速度進(jìn)行。

塑性變形是一個(gè)過程，完成這個(gè)過程需要一定的時(shí)間，只有載荷保持足夠的時(shí)間，由壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度所測(cè)出的顯微硬度值才更接近于材料的真實(shí)硬度值。

3.3 顯微硬度試驗(yàn)的應(yīng)用

顯微硬度試驗(yàn)不僅用于對(duì)金屬材料的測(cè)定，同時(shí)也可對(duì)非金屬材料進(jìn)行測(cè)定。既可以作為工藝檢驗(yàn)的手段，同時(shí)也是是金相組織研究和材料科學(xué)研究方面不可缺少的技術(shù)指導(dǎo)。其常見的應(yīng)用領(lǐng)域如下：

1．用于工藝檢驗(yàn)。主要測(cè)定小件、薄件、成品、半成品以及零件特殊部位的硬度，如軸尖、薄片、刀刃等；

2．用于金相學(xué)和金屬物理學(xué)方面。通過對(duì)壓痕形狀的觀察可以研究金屬各組成相的塑性和脆性。輔助分析金屬結(jié)構(gòu)、組成以及晶體特性；

3．用于材料科學(xué)方面。研究新合成材料組成成分之特性，如不同溫度下或不同工藝處理后（氮化、氧化、碳化）材料的特性；

4．對(duì)非金屬材料的測(cè)定。如對(duì)玻璃、瑪瑙、磨料、礦物、陶瓷器以及其他一些脆性結(jié)構(gòu)件硬度的測(cè)定。這是其他硬度試驗(yàn)法難以解決的測(cè)定項(xiàng)目。

5. 晶粒內(nèi)部不均勻性的研究。由于顯微硬度對(duì)化學(xué)成分不均勻的相具有較敏感的鑒定能力，故常用于研究分析晶粒內(nèi)部的不均勻性。如通過合金中固溶體枝晶偏析的測(cè)定，得到晶粒不均勻與成分、狀態(tài)間的關(guān)系，進(jìn)而為控制消除偏析提供數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)

1. 樊新民主編．表面處理工實(shí)用技術(shù)手冊(cè)．南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社 ， 2003.06 ：554~555

2. 蕭澤新，陳奕高編著．現(xiàn)代金相顯微分析及儀器．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2015.05：121~122

3. 蔡宏偉主編．金屬材料金相檢驗(yàn)． 北京：科學(xué)普及出版社，2015.02 ：86~90

4. Li H, Bradt R C. The microhardness indentation load/size effect in rutile and cassiterite single crystals[J]. Journal of Materials Science, 1993, 28(4): 917-926.

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