[科普中国]-硬度测试

所谓硬度，就是材料抵抗更硬物压入其表面的能力。根据试验方法和适应范围的不同，硬度单位可分为布氏硬度、维氏硬度、洛氏硬度、显微维氏硬度等许多种，不同的单位有不同的测试方法，适用于不同特性的材料或场合。

测试特点硬度测试是检测材料性能的重要指标之一，也是最快速最经济的试验方法之一。之所以能成为力学性能试验的常用方法， 是因为硬度测试能反映出材料在化学成分、组织结构和处理工艺上的差异。常被作为监督手段应用于各行各业。例如在钢铁材料中，当马氏体形成时，由于溶入过饱和的碳原子而增大了晶格畸变，增加了错位密度，从而显著降低了塑性变形能力，这就是马氏体高硬度的原因。显然含碳量越高这种畸变程度就越大，则硬度也越高，不同含碳量的钢在淬火后，硬度值与马氏体量及其含碳量间在很大范围内有很好的对应关系，淬火钢回火后的硬度取决于回火温度及保温时间。回火温度越高，保温时间越长，硬度越低。因此可以利用硬度试验来研究钢的相变和作为检测钢铁热处理效应的手段。

测试方法金属洛氏测试原理

将压头（金刚石圆锥、钢球或硬质合金球）分两个步骤压入试样表面，经规定保持时间后，卸除主试验力，测量在初试验力下的残余压痕深度h，根据h值及常数N和S计算洛氏硬度。1

术语及定义

洛氏硬度=N-h/S；

初始试验力-------试验时预加载试验力。

主试验力-------使测量样品产生残余压痕的加载。

总试验力-------初始试验力加上主试验力。

测试程序

洛氏硬度应选择在较小的温度变化范围内进行，因为温度变化可能会对试验结果有影响。所以试验一般规定在10～35℃的室温进行。试样应平稳地放置在刚性支承物上，并使压头轴线与试样表面垂直。避免试样产生位移。使压头与试样表面接触，在无冲击和振动的情况下施加试验力，初试验力保持不应超过3秒。将测在不小于1s且不大于8s的时间内，从初试验力增加到总试验力，并保持4s±2s，然后卸除主试验力，保持初试验力，经过短暂稳定后，进行读数。为了读数准确，在试验过程中，硬度计应避免受到任何冲击和震动。

在多处取值时，两相邻压痕中心间距离至少应为压痕直径的 4倍，但不得小于2mm。任一压痕中心距试样边缘距离至少应为压痕直径的2.5倍， 但不得小于1mm。

金属布氏测试原理

对一定直径的硬质合金球施加试验力压入试样表面，经规定保持时间后，卸除试验力，测量试样表面压痕的直径。布氏硬度与试验力除以压痕表面积的商成正比。压痕被看作是具有一定半径的球形，其半径是压头球直径的二分之一。

术语及定义

试验力——试验时所用的负载。

压痕平均直径——两相互垂直方向测量的压痕直径的算术平均值。

球直径——压头中硬质合金球的直径。

测试程序

一般试验在10～35℃的室温进行即可，如果有对温度要求严格的试验（视乎材料对温度的敏感性），试验温度应为23℃±5℃。

试验力的选择应保证压痕直径在0.24D～0.6D之间。试验力－压头球直径的平方的比率鞋（1.02F/D2比值）应根据材料和硬度值选择。

为了保证在尽可能大的有代表性的试样区域试验，应尽可能选取大直径的压头；当试样尺寸允许时，应优先使用直径为10mm的球压头进行试验。

使压头与试样表面垂直接触，垂直于试验面施加试验力，加力过程中不应有冲击和震动，直至将试验力施加至规定值。

试验力保持时间为10～15秒。对特殊材料，试验力保持时间可以延长，但误差应在±2秒。

任一压痕中心距试样边缘距离，至少为压痕平均直径的2.5倍。相邻压痕中心间的距离至少为压痕直径的3倍。应在两相互垂直方向测量压痕直径，用两个读数的平均值计算布氏硬度。（或按GB/T 231.4查得布氏硬度值）

布氏硬度试验范围上限不大于650HBW 。

金属维氏测试原理

将顶部两相对面具有规定角度的正四棱锥体金刚石压头用试验力压入试样表面，保持规定时间后，卸除试验力，测量试样表面压痕对角线长。维氏硬度值是试验力除以压痕表面积所得的商，压痕被视为具有正方形基面并与压头角度相同的理想形状。2

术语及定义

试验力------试验时所用的负载。

压痕对角线------卸载后，压头在被测样品表面留下的方形或菱形压痕的对角线。

压头夹角------压头顶部两相对面的夹角。

测试程序

试验一般在10～35℃的室温进行。对温度要求严格的试验，试验温度应为23℃±5℃。根据试样厚度和硬度选择试验力。使压头与试样表面垂直接触，垂直于试验面施加试验力，加力过程中不应有冲击和震动，直至将试验力施加至规定值。试验力保持时间为10～15秒。对特殊材料，试验力保持时间可以延长，直至试样不再发生塑性变形，但误差应在±2秒。应测量压痕两条对角线长度，用其算术平均值或通过查表得到硬度值。放大系统应能将对角线放大到视场的25%～75%。

显微维氏术语及定义

试验力——试验时所用的负载。

压痕对角线——卸载后，压头在被测样品表面留下的方形或菱形压痕的对角线。

压头夹角——压头顶部两相对面的夹角。

测试程序

试验一般在10～35℃的室温进行。对温度要求严格的试验，试验温度应为23℃±5℃。根据试样厚度和硬度选择试验力。使压头与试样表面垂直接触，垂直于试验面施加试验力，加力过程中不应有冲击和震动，直至将试验力施加至规定值。保持试验力的时间为10～15秒。对特殊材料，试验力保持时间可以延长，但误差应在±2秒。

影响因素测量工作使用的仪器设备很多，每种仪器设备在使用时都有许多不利因素影响其测量值的准确性。本文仅对两种常规仪器洛氏硬度计、布氏硬度计)在使用时，容易被检测人员忽略的一些较常见的影响因素进行针对性分析，并提出了解决办法。

粗糙度粗糙度的影响及解决办法

我们知道，用台式 超级恒温水浴测量布氏硬度时，的压头是钢球压头，在一定的压力下压入被测表面而得到一个圆形压痕，再用读数显微镜测量圆形压痕的直径，然后在布氏硬度表中查找相应的硬度值，即被测试样的硬度值，而被测表面的粗糙度直接影响硬度测量值的准确性。当被测表面粗糙度值大于Ra=0.8μm时，随着粗糙度值的增大，被测表面对压头的抗力愈小，其塑性变形愈大，圆形压痕就愈大，相应的硬度值也就愈小，致使测量值偏低于其真实值。试验证明，测量偏差在10HB以上(注：用台式硬度计测量洛氏硬度时，粗糙度的影响较小，本文就不进行分析了)。

当我们用便携式微电脑超声硬度计测量硬度时，粗糙度的影响较用台式硬度计就更大了。当被测表面粗糙度值大于Ra=0.8μm时，随着粗糙度值的增大，硬度计的金刚石角锥体压头与被测表面的接触面积就会增大。这种接触包括压痕接触和非压痕接触。

压痕接触即压头自身压入被测表面后压头与压痕的接触，接触面积也是极微小的；而非压痕接触是指硬度计压头的锥面与被测表面轮廓峰斜面的接触。非压痕接触对硬度测量是不利的。因为，微电脑超声硬度计工作原理是借助于杆的超声振动测量硬度的。在均匀的接触压力下，使杆的谐振频率随试样的硬度高低而改变。若试样的硬度愈低，压痕接触面积愈大，被测表面对传感器杆压头的阻尼愈大，传感器杆压头振动幅度就愈小，谐振频率也就愈高。也就是说， 恒温水箱压痕接触面积愈大，超声硬度计的示值愈低。而非压痕接触大大地增加了压头与被测表面的接触面积，致使示值偏低于真实值。试验证明，洛氏硬度测量偏差在10HRC左右；布氏硬度测量偏差在20HB左右。

解决办法：在测量试样硬度时，我们必须注意被测表面粗糙度是否符合的检测条件。在正常使用的条件下，必须保证试样的被测表面粗糙度值小于或等于Ra=0.8μm，若试样的被测表面粗糙度值大于Ra=0.8μm，可以通过机械方法(上磨床)或手工方法，对被测表面进行研磨修整，使试样的被测表面粗糙度达到检侧条件。将粗糙度影响程度降到最低，这样我们才能获得准确的测量值。

挤压层挤压层的影响及解决办法

挤压层即经车床精车加工出来的试件表面上的一层薄薄的硬层。试件在被精车加工时，车刀同时对试件表面有一个挤压(滚压)作用，使精车面表层的金属晶粒变形细化，较试件深层的金属晶粒更细密，从而产生了一层薄薄的硬层。硬层厚度一般在0.3毫米左右。这一硬层致使硬度测量值偏高于真空值，对用台式硬度计和微电脑超声硬度计测量硬度的准确性有不同程度的影响。

当我们用台式硬度计测量洛氏硬度时，硬度计压头是金刚石锥体，压头(锥顶直径为0.4毫米)与被测表面的接触面积较小。加载时，压头很容易穿透挤压层，因此硬度的测量偏差较小。试验证明，测量偏差一般在5HRC以内。用台式硬度计测量布氏硬度时，硬度计压头是钢球压头，压头与被测表面的接触面积较大。加载时，压头必须克服挤压层的较大阻力才能压入被测表面，这就使压头的压入量不够，所压得的圆形压痕也随之变小，致使相应的硬度值偏高于其真实值。而且硬度的测量偏差较大。试验证明，硬度的测量偏差在20HB左右。另外，无论测量洛氏硬度还是布氏硬度，随着试件自身硬度的增大，硬度的测量偏差就会减小。

挤压层对用微电脑超声