常見硬度及其測試方法
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?2023-12-04 14:37:02
硬度是材料抵抗堅硬物體壓入其表面的能力，也可以說是抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力。它是材料的重要性能之一，與其他強度指標和塑性指標之間有著內(nèi)在聯(lián)系。硬度值可以間接反映金屬強度及金屬在化學成分、金相組織和熱處理工藝上的差異等。硬度適用于大多數(shù)材料，尤其是金屬，是一種有價值、有啟發(fā)性且常用的力學性能，已以各種形式使用了250多年。當然，作為一種材料特性，其價值和重要性不容低估，硬度測試的結(jié)果經(jīng)常與其他材料驗證技術(shù)（如拉伸或壓縮）結(jié)合使用，以提供關(guān)鍵性能信息，在結(jié)構(gòu)設計、航空航天、汽車、質(zhì)量控制、故障分析以及許多其他形式的制造和工業(yè)中發(fā)揮著重要的作用。確定這些材料特性可以深入了解從原材料到成品的各種部件類型的耐用性、強度、靈活性和性能等。多年來，人們開發(fā)并采用了各種測定材料硬度的方法，從早期的劃痕測試到復雜的自動化成像，硬度測試已經(jīng)發(fā)展成為一種高效、準確和有價值的材料測試方法。硬度試驗方法相對而言比較簡單迅速，可直接在原材料或零件表面上測試，因此被廣泛應用。雖然現(xiàn)今硬度測試的技術(shù)和硬件已經(jīng)顯著改進，特別是近年來與快速發(fā)展的電子、計算機、硬件和編程能力同步，但早期的基本形式的硬度測試，如簡單的劃痕測試，足以滿足當時的需要。早在1722年，歐洲啟蒙運動時期的重要科學家之一、法國科學家Reaumur采用一種劃刻法來測試金屬的硬度，發(fā)明了一種酒精溫度計和列氏溫標。1822年，莫氏硬度被開發(fā)出來，用于檢測礦物的硬度。這是一個十點劃痕硬度表，其中每種材料都可以使用下一種更硬的材料進行劃痕。莫氏硬度值至今仍在礦物學中使用，但不適用于確定技術(shù)材料（金屬）的硬度。各個硬度步驟相對較大并且具有不同的間隔。到19世紀晚期，一名瑞典工程師Johan A. Brinell宣布發(fā)明了一種使用球形壓頭進行金屬硬度測試的方法。這種測試方法登上了1900年的巴黎世界博覽會，并在工業(yè)界迅速“躥紅”，被稱為布氏硬度測試。盡管洛氏壓痕試驗是1908年維也納教授Paul Ludwik提出的一個想法，但直到1914年左右，在美國康涅狄格州布里斯托爾的一家制造公司工作的Stanley和Hugh Rockwell兄弟，擴展了利用基于位移的錐形金剛石壓痕測試的想法，并申請了羅克韋爾測試儀設計的專利。該測試儀的主要標準是提供一種快速測定熱處理對鋼軸承座圈影響的方法。洛氏硬度計的主要優(yōu)點之一是需要小面積的壓痕；另外它也更容易使用，因為讀數(shù)是直接的，不需要計算或二次測量。該專利申請于1919年2月11日獲得批準，隨后在1924年又獲得了一項改進的外觀設計專利。與此同時，Stanley Rockwell與儀器制造商Charles H.Wilson在康涅狄格州哈特福德合作，開始了Rockwell測試儀的商業(yè)生產(chǎn)。該公司發(fā)展成為威爾遜機械儀器公司，并成為羅克韋爾測試儀的優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)商。在經(jīng)歷了19世紀末的一些所有權(quán)變更后，Wilson于1993年被Instron收購。洛氏硬度測試仍然是目前最有效和最廣泛使用的硬度測試類型之一。維氏硬度是英國的Robert L. Smith和George E. Sandland于1921年在維克斯公司（Vickers Ltd）提出的。同時，其他各種不同種類的硬度測試慢慢被開發(fā)出來，應用在不同的測試場景中。
壓痕
目前，按測試方法的不同，常用的硬度主要有洛氏硬度、布氏硬度和維氏硬度3種類型。
常用的布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度均屬于壓入硬度，硬度值表示材料表面抵抗另一物體壓入時所引起的塑性變形的能力。用直徑D的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球作壓頭，以試驗力F壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定的保持時間后，卸除試驗力，得到一直徑為d的壓痕。布氏硬度與試驗力除以壓痕表面積的商成正比，符號用HBW表示。
注：從2003年6月1日開始，原國標GB/T 231-1984廢止，我國等效執(zhí)行國際標準，制定了新的國家標準GB/T 231.1-2002，文中明確取消了鋼球壓頭，全部采用硬質(zhì)合金球頭。因此HBS停止使用，全部用HBW表示布氏硬度符號。很多時候布氏硬度僅用HB表示，指的就是HBW。用錐頂角為120°的金剛石圓錐或直徑1.588 mm和直徑3.176 mm硬質(zhì)合金球作壓頭，分兩級試驗力（初試驗力F0和主試驗力F1）壓入試樣表面。初試驗力加載后，測量初始壓痕深度。隨后施加主試驗力，在卸除主試驗力后保持初試驗力時測量最終壓痕深度，洛氏硬度根據(jù)最終壓痕深度和初始壓痕深度的差值h（圖中4）及常數(shù)N和S計算得出：
洛氏硬度試驗采用3種試驗力，3種壓頭，它們共有9種組合，對應于洛氏硬度的9個標尺。這9個標尺的應用涵蓋了幾乎所有常用的金屬材料。常用的有HRA、HRB和HRC三種，其中HRC應用最廣。采用相對面夾角為136°的金剛石正四棱錐壓頭，以規(guī)定的試驗力F壓入試樣表面，保持規(guī)定時間后卸除試驗力，測量試樣表面壓痕對角線長度。標記符號為HV。
用規(guī)定質(zhì)量的沖擊體，在一定力的作用下以一定速度垂直沖擊試樣表面，以沖擊體在距試樣表面1 mm處的回彈速度（vR）與沖擊速度（vA）的比值來表示材料的里氏硬度，符號標記為HL。
里氏硬度儀操作簡便，效率高，適用于大、重型工件或者幾何尺寸復雜的工件。而且對產(chǎn)品表面損傷很輕，有時可作為無損檢測；對各個方向，窄小空間及特殊部位硬度測試具有獨特性。用規(guī)定形狀的金剛石沖頭從規(guī)定高度自由落下沖擊試樣表面，以沖頭第一次回跳高度h與沖頭落下高度h0的比值計算肖氏硬度值，符號標記為HS。
肖氏硬度檢測儀器便于攜帶，操作簡便，效率高，試驗后不產(chǎn)生壓痕，可在成品件上試驗，適用于高硬度大件表面硬度現(xiàn)場檢測。但是測試精度低，重復性差。將頂部兩相對面具有規(guī)定角度的菱形棱錐體金剛石用試驗力壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時間后卸除試驗力，測量試樣表面壓痕長對角線長度，符號標記為HK。適于測試硬而脆的材料，常被用于測試琺瑯、玻璃、人造金剛石、金屬陶瓷及礦物等材料。它還可用于表面硬化層有效深度的測定。將規(guī)定形狀的鋼質(zhì)壓針在一定的試驗力的作用下壓入試樣表面，用壓針壓入的深度來表示材料的硬度，符號標記為HW。定義0.0125 mm的壓入深度為一個韋氏硬度單位。材料的硬度與壓入的深度相關(guān)，壓入越淺硬度越高，反之則低。適用于測試鋁合金、軟銅、硬銅、超硬鋁合金和軟鋼。
硬度測試技術(shù)在整個19世紀中后期保持相當一致，大多數(shù)系統(tǒng)通常使用施加測試力的自重方法。雖然自重技術(shù)相當簡單、可靠，并且被廣泛接受，但該方法并非沒有一些歧義。勞動密集型生產(chǎn)，加上依賴于杠桿、樞軸和導軌的高度機械系統(tǒng)的復雜性，導致了進一步開發(fā)的需求，而且很明顯，測量儀器中使用的其他新開發(fā)的力調(diào)節(jié)形式也可以應用于硬度測試。隨著對生產(chǎn)率、精度、用戶特性和可重復性閉環(huán)的需求不斷增加，測壓元件技術(shù)成為硬度測試的一個因素。在20世紀50年代，馬薩諸塞州的Instron率先在拉伸測試儀器上使用閉環(huán)系統(tǒng)。閉環(huán)系統(tǒng)與開環(huán)（自重）系統(tǒng)的不同之處在于，它們具有電子測量每次測試期間施加的力并將信息反饋（或循環(huán)）給控制系統(tǒng)的手段?？刂葡到y(tǒng)被設計為使用反饋來調(diào)整施力機構(gòu)，以極其精確的速率施加期望的力。這些系統(tǒng)工作得非常好，以至于今天所有的電子拉伸/壓縮儀器都只使用閉環(huán)控制。通過Instron和Wilson的合作，能夠有效地將閉環(huán)控制應用于硬度計，從而開發(fā)出前所未有的可重復性系統(tǒng)。在20世紀90年代初，這項技術(shù)首先被引入洛氏硬度計，后來被引入努氏硬度計/維氏硬度計以及布氏硬度計。閉環(huán)很快獲得了動力，這是一種實現(xiàn)極其準確和可重復的硬度測試結(jié)果的手段，如今該技術(shù)已成為一種流行且廣泛使用的模式。近年來，隨著硬度測試儀器、計算機硬件、電子設備、成像算法和軟件功能的顯著改進，人們打開了通往極其精確可靠的測試過程的大門，這些測試過程比以往任何時候都更快地提供結(jié)果，通常是以自動化的方式。這些組件和技術(shù)已被證明有利于將效率、速度和準確性提高到前所未有的水平。毫無疑問，傳統(tǒng)的手動測試過程已經(jīng)在各個方面迅速讓位給自動化。材料制備和處理、支架固定、臺架移動、結(jié)果解釋和分析，甚至報告方面的新技術(shù)現(xiàn)已引入硬度測試行業(yè)。越來越多的自動化技術(shù)被集成到許多硬度系統(tǒng)中。自動硬度系統(tǒng)通常包括一個完全可控的測試儀、一個自動旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)臺，以及從頭部/壓頭外殼或主軸驅(qū)動系統(tǒng)在Z軸上的驅(qū)動，用于以預定的力施加壓痕以及自動聚焦試樣，再加上一臺配有專用硬度軟件的標準計算機、一個自動XY橫移電動載物臺和一個USB攝像機，結(jié)果就集成了一個強大的全自動硬度測試系統(tǒng)。這些系統(tǒng)可以單獨用于自動創(chuàng)建、測量和報告，消除了過去由于操作和工作空間限制造成的混亂。硬度測試在材料測試、質(zhì)量控制和部件驗收中發(fā)揮著重要作用。我們依靠數(shù)據(jù)來驗證部件的熱處理、結(jié)構(gòu)完整性和質(zhì)量，以確定材料是否具有預期用途所需的性能。多年來，通過改進傳統(tǒng)的測試設計，建立越來越高效的測試方法，我們已經(jīng)可以比以往任何時候都更有效地執(zhí)行硬度測試過程和解釋硬度測試結(jié)果，這有助于大幅提高工業(yè)品的產(chǎn)量和一致性，提高生產(chǎn)力和工作效率，從而助力材料生產(chǎn)和研發(fā)企業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。
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