硬度 P2为荷载力

1.引言

在工程领域，材料的硬度对结构件能否长期发挥稳定性能至关重要。

材料在外界物体的冲击下，表面对形变的抵抗能力，是各类材料软硬的指标。

一般而言，材料表面局部范围内抵抗硬物压入其表面的能力称为硬度。

由于规定了不同的测试方法，所以有不同的硬度标准。

在此，我们简要介绍了各种硬度标准的力学含义，并重点介绍了显微硬度的测试原理及应用，以飨读者。

硬度的类型

硬度是衡量材料软硬程度的一种力学性能。

在力学定义中，硬度是指材料抵抗表面局部形变的能力—即抵抗更硬物体压入其表面的能力。

硬度更直观的感受体现在物体表面的塑性变形、压痕或划痕。

硬度值是反应材料硬度大小的重要指标，常见的硬度测量的标准有布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）和维氏硬度（HV）。

布氏硬度

布氏硬度最早是由瑞典工程师J．A．布里涅耳于1900年提出的，被被广泛应用于机械和冶金工业研究。

如图1所示，布氏硬度的测量标准是在规定大小的荷载作用下，将直径为D的钢球压入被测物体表面并保持一定时间后，利用荷载力P和压痕面积F的比值（P/F）来判断材料硬度大小，用HB表示。

测试布氏硬度时，不同样品（材质和尺寸）要搭配不同尺寸的钢珠使用。

若要使不同直径的钢球在同一材料上测得同样的硬度，就需要改变载荷值，使压痕保持几何相似，相似条件为：P1/D12 = P2/D22。

式中P1，D1、D2为钢球直径。

图 1 布氏硬度的测试示意图

布氏硬度测定法的适用范围是较软的材料，如有色金属结构件和退火后的钢板，最高的硬度测量上限为HB450。

这是因为太硬的材料会使钢珠变形，反而测不准。

为了在测定时得到清晰的压痕，试样必须经过表面准备和打磨等处理。

在制作完毕的机械零件上作布氏硬度测定会由于压痕过大影响零件的正常装配和使用性能。

因此，布氏硬度测定法不适于检测大批量生产的零件。

常见的布氏硬度测量规范总结在表1中。

洛氏硬度

洛氏硬度是美国的S．P．洛克韦尔于1919年提出的，是以压痕塑性变形深度来确定硬度值的指标。

它是以直径为1.588 mm的瘁火钢球或顶角为120的金刚石圆锥压人试样表面后留下的深度来确定材料的硬度值，用HR表示。

其测量原理如图2所示，首先，样品在预载荷P0（98.1N）的作用下压入试件深度为h0的位置。

h0包括预载所引起的弹性形变和塑性变形。

其次，给样品施加主载荷P1，压头在总载荷（P0+P1）的作用下压入试件。

最后，去除主载荷P1并保持P0，记录此时的压入深度h1。

由于此时主载荷P1引起的弹性形变被消除，那么h0和h1之间的差值h（h=h1-h0）即为主载荷P1引起的塑性变形深度。

h越大，试样越软；h越小，则试样越硬。

表1 布氏硬度的测试规范

图 2 洛氏硬度的测试示意图

表2 洛氏硬度的测试规范

洛氏硬度试验的优点是操作迅速、简便，可由表盘上直接读出硬度值。

由于载荷很小，故可复量较薄工件的硬度。

其缺点是精度较差，硬度值波动较大，通常应在试样不同部位测量数次，取平均值为该材料的硬度值。

常见的硬度测量规范总结在表2中。

维氏硬度

维氏硬度试验方法最早是英国史密斯（R.L.Smith）和塞德兰德（C.E.Sandland）于1925年提出的。

其测试原理与布氏硬度相似，都是利用载荷和压痕面积之间的关系来确定材料的硬度值，用HV表示。

二者的区别在于施加到试件表面的压头不同，维氏硬度试验采用的压头是金刚石的四正棱锥柱体。

如图3所示，试验时，在一定载荷的作用下，试样表面上压出一个四方锥形的压痕，测量压痕对角线长度d，计算压痕的表面积F，载荷P除以压痕面积F的数值就是试样的硬度，用符号HV表示。

HV=P/F，F=d2/2sin68°

维氏硬度的优点在于测量范围广，几乎可以测量工业上所用到的全部金属材料，从很软的材料（几个维氏硬度）到很硬的材料（3000个维氏硬度）都可测量。

但维氏硬度需要测量对角线的长度，然后通过计算或查表才能得到硬度值，较为繁琐。

图 3 维氏硬度测量压头及压痕

显微硬度测试法

显微硬度是金相分析中常用的测试手段之一。

它的测试是在维氏硬度的基础上发展起来的，也是利用单位压痕面积上所承受的载荷来表示材料的硬度值。

由于显微硬度的压头尺寸和施加载荷较小，最终留在试样上的压痕尺度极小（一般几微米到几十微米），因此压痕面积的测量必须在显微镜下进行，所以称这种方法为显微硬度测试法。

显微硬度计主要是由升降系统、工作台、加荷系统、光学系统、电子系统和外壳体组成（图4）。

加荷系统中的压头是显微硬度仪的核心部件，它是镶嵌在压头顶尖的极小金刚石锥体，按照压头的形状可分为维氏（图5）压头和努普（图6）型压头。

前者是和维氏硬度压头一样的金刚石正四棱柱压头，这种压头留在试样表面的压痕长短对角线相等；后者是使用的金刚石压头是对面角分别为172°30’和130°的四角棱锥，它在试样表面留下的压痕是菱形，长短对角线比值为7.11：1。

图 4 上海钜晶公司生产的数显显微硬度计

不管是哪种压头，显微硬度的测量值都是按下式计算：

HV=常数×实验力/压痕表面积

对于对角面均为136°的维氏压头，HV=0.1891·F/d2，其中F和d分别为载荷和压痕对角线长度；

对于对角面为172°30’和130°的努普氏压头，HK=139.54·P/L2,其中P和L分别为载荷和压痕对角线长度。

图 5 显微硬度用维氏金刚石压头

图 6 显微硬度用努普氏金刚石压头

显微硬度试验的优缺点

优点：显微硬度试验是一种真正的非破坏性试验，其得到的压痕小，压入深度浅，在试件表面留下的痕迹可忽略，因而适用于各种零件及成品的硬度试验；兼容性强，可对脆性材料或零件进行硬度测试，不易产生碎裂；得到的结构信息丰富，通过对试件进行纵深硬度测试，以判定电镀、氮化、氧化或渗碳层的厚度；测试精度高，所得压痕为棱形，轮廓清楚，其对角线长度的测量精度高。

缺点：试件尺寸不可太大；如要知道材料或零件的硬度，则必须对试件进行多点硬度试验；对试件的表面质量要求较高，尤其是要求表面粗糙度要在RA0.05以上；对测试环境要求高，尤其是要求有严格的防振措施。

显微硬度试验影响因素

1、测量误差：主要是由载荷测量误差△F及压痕测量误差△2d引起的，其误差可按下式计算：

△HV= HV（（△F/F）+（△2d/d））

测量误差属静态误差，操作过程和仪器精度密切相关。

2、试样的表面状态：被测试样的表面状态直接影响结果的可靠性，测定显微硬度的试样与普通金相样品的制备相同，磨光、抛光时应尽量避免表层微量的塑性变形引起的加工硬化。

3、加载部位：压痕在被测晶粒上的部位及被测晶粒的厚度对显微硬度值均有影响。

在选择测量对象时应选取较大截面的晶粒，因为较小截面的晶粒厚度可能较薄，测量结果可能会受晶界或相邻第二相的影响。

4、试验载荷：为保证测量的准确度，试验载荷在原则上应尽可能大，且压痕大小必须与晶粒大小成一定比例，在测定软基体上硬质点时，被测点截面直径必须4倍于压痕对角线长，否则将可能得到不准确的测量数据。

此外测定脆性相时，高载荷可能出现“压碎”现象，从而使得到的硬度值不准确。

5、载荷施加速度及保持时间：硬度定义中的载荷是指静态的含义，但实际上一切硬度试验中载荷都是动态，是以一定的速度施加在试样上，由于惯性的作用，加荷机构会产生一个附加载荷，这会使硬度值偏低，为了消除这个附加载荷的影响，在施加载荷时应以尽可能平稳、缓慢的速度进行。

塑性变形是一个过程，完成这个过程需要一定的时间，只有载荷保持足够的时间，由压痕对角线长度所测出的显微硬度值才更接近于材料的真实硬度值。

显微硬度试验的应用

显微硬度试验不仅用于对金属材料的测定，同时也可对非金属材料进行测定。

既可以作为工艺检验的手段，同时也是是金相组织研究和材料科学研究方面不可缺少的技术指导。

其常见的应用领域如下：

1．用于工艺检验。

主要测定小件、薄件、成品、半成品以及零件特殊部位的硬度，如轴尖、薄片、刀刃等；

2．用于金相学和金属物理学方面。

通过对压痕形状的观察可以研究金属各组成相的塑性和脆性。

辅助分析金属结构、组成以及晶体特性；

3．用于材料科学方面。

研究新合成材料组成成分之特性，如不同温度下或不同工艺处理后（氮化、氧化、碳化）材料的特性；

4．对非金属材料的测定。

如对玻璃、玛瑙、磨料、矿物、陶瓷器以及其他一些脆性结构件硬度的测定。

这是其他硬度试验法难以解决的测定项目。

5. 晶粒内部不均匀性的研究。

由于显微硬度对化学成分不均匀的相具有较敏感的鉴定能力，故常用于研究分析晶粒内部的不均匀性。

如通过合金中固溶体枝晶偏析的测定，得到晶粒不均匀与成分、状态间的关系，进而为控制消除偏析提供数据。

参考文献

1. 樊新民主编．表面处理工实用技术手册．南京：江苏科学技术出版社 ， 2003.06 ：554~555

2. 萧泽新，陈奕高编著．现代金相显微分析及仪器．西安：西安电子科技大学出版社，2015.05：121~122

3. 蔡宏伟主编．金属材料金相检验． 北京：科学普及出版社，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.

5. 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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