金屬的硬度，是金屬材料抵抗局部變形，特別是塑性變形，壓痕或劃痕的能力，是衡量金屬材料軟硬程度的一種指標(biāo)。由于硬度能靈敏地反應(yīng)金屬材料在化學(xué)成分、金相組織、熱處理工藝及冷加工變形等方面的差異，因此硬度試驗(yàn)在生產(chǎn)、科研及工程上都得到廣泛應(yīng)用。硬度試驗(yàn)根據(jù)受力方式的不同，一般可以分為壓入法和刻劃法兩種，在壓入法中，按加力速度不同又可分成靜力試驗(yàn)法和動(dòng)力試驗(yàn)法。其中，以靜力試驗(yàn)法應(yīng)用最為普遍。常用的布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度等均屬于靜力試驗(yàn)法；肖氏硬度、里氏硬度和錘擊布氏硬度等則屬于動(dòng)力試驗(yàn)法。

一、布氏硬度試驗(yàn)

試驗(yàn)原理

對(duì)一定直徑的硬質(zhì)合金球施加試驗(yàn)力壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時(shí)間后，卸除試驗(yàn)力，測(cè)量試樣表面壓痕的直徑。布氏硬度與試驗(yàn)力除以壓痕表面積的商成正比。壓痕被看作是具有一定半徑的球形，其半徑是壓頭球直徑的二分之一。

適用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)

布氏硬度適用于退火、正火狀態(tài)的鋼鐵件，鑄鐵，有色金屬及其合金，特別對(duì)較軟金屬，如鋁、鉛、錫等更為適宜。由于布氏硬度試驗(yàn)時(shí)采用較大直徑球體壓頭，所得壓痕面積較大，因而測(cè)得的硬度值反映金屬在較大范圍內(nèi)的平均性能。由于壓痕較大，所測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性強(qiáng)。布氏硬度的缺點(diǎn)是對(duì)不同的材料需要更換壓頭和改變?cè)囼?yàn)力，壓痕直徑測(cè)量也較麻煩。同時(shí)，由于壓痕較大，對(duì)成品件不宜采用。

二、洛氏硬度試驗(yàn)

試驗(yàn)原理

采用測(cè)量壓痕深度的方法來表示材料的硬度。

適用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)

洛氏硬度試驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)是通過變換試驗(yàn)標(biāo)尺可測(cè)量硬度較高的材料。壓痕較小，可用于半成品或成品檢驗(yàn)。其缺點(diǎn)是壓痕較小，代表性差。由于材料中有偏析及組織不均勻等缺陷，致使所測(cè)硬度值重復(fù)性差、分散度大。此外，用不同的標(biāo)尺測(cè)得的硬度值彼此無內(nèi)在聯(lián)系，也不能直接進(jìn)行比較。

三、維氏硬度試驗(yàn)

試驗(yàn)原理

維氏硬度的試驗(yàn)原理與布氏硬度相同，也是根據(jù)壓痕單位面積所承受的試驗(yàn)力來計(jì)算硬度值。所不同的是維氏硬度試驗(yàn)采用的壓頭是兩相對(duì)面間夾角為136°的金剛石正四棱錐體。

應(yīng)用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)

維氏硬度試驗(yàn)主要適合測(cè)定各種表面處理后的滲層或鍍層的硬度以及較小、較薄工件的硬度，顯微維氏硬度還可用于測(cè)定合金中組成相的硬度。維氏硬度試驗(yàn)的試驗(yàn)力從小到大可任意選擇。所測(cè)硬度值從低到高標(biāo)尺連續(xù)，不存在布氏硬度中F/D2的約束，也不存在洛氏硬度那樣更換不同標(biāo)尺，而產(chǎn)生不同標(biāo)尺的硬度無法統(tǒng)一的問題。

四、肖氏硬度試驗(yàn)

試驗(yàn)原理

用具有一定重量和規(guī)定形狀的金剛石沖頭從一定高度自由下落到試樣表面。根據(jù)沖頭回彈高度來衡量硬度值大小，故也稱為彈性回跳硬度試驗(yàn)。

應(yīng)用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)

肖氏硬度試驗(yàn)適合于在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試軋輥、機(jī)床床面、導(dǎo)軌、大型鍛件等工件硬度。其優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)便，測(cè)試效率高，不產(chǎn)生壓痕，可在成品上試驗(yàn)。缺點(diǎn)是測(cè)試精度低，重復(fù)性查，并且試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性受人為因素影響較大，不適合于精度要求較高的試驗(yàn)。另外，對(duì)于彈性系數(shù)相差較大的材料，其所測(cè)硬度不能相互比較。

五、里氏硬度試驗(yàn)

試驗(yàn)原理

用規(guī)定質(zhì)量的碳化物沖擊體在一定的彈力作用下，以一定的速度沖擊試樣表面，用沖頭在距試樣表面1mm處回彈速度與沖擊速度的比值再乘以1000，定義為里氏硬度。

應(yīng)用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)

里氏硬度適合于大件、組裝件、形狀復(fù)雜零件的現(xiàn)場(chǎng)硬度測(cè)試。其操作簡(jiǎn)單，測(cè)試效率高。缺點(diǎn)是試驗(yàn)時(shí)受試樣質(zhì)量及厚度影響較大，一般不宜對(duì)薄板及薄管材進(jìn)行檢測(cè)。必須指出的是，金屬的各種硬度之間及硬度與其他力學(xué)性能之間在理論上并無內(nèi)在聯(lián)系。各種硬度值都是在特定的試驗(yàn)條件下測(cè)定的，用特定條件下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)換算成其他試驗(yàn)條件下的硬度值或抗拉強(qiáng)度，必定存在誤差。因此，在可能條件下，應(yīng)盡量避免這種換算。在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，國(guó)家對(duì)不同的金屬材料制定了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)硬度的換算進(jìn)行了規(guī)定。

本文作者：王雪嬌 高級(jí)工程師

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