硬度試驗基礎(chǔ)知識

在購買一種材料測試工具同時，便是購買了一套完整的材料測試解決方案。

硬度是材料的一個特征，而不是基本物理特性。它的定義是抗壓痕強(qiáng)度，通過測量壓痕的永久深度來確定。更簡單地說，當(dāng)使用固定的力值（負(fù)載）和特定的壓頭時，越小的壓痕就代表材料硬度越高。使用 12 種不同測試方法中的一個測量壓痕的深度或面積可得到該壓痕硬度數(shù)值。

硬度測試應(yīng)考慮的因素

在選擇要使用的硬度測試方法之前，應(yīng)優(yōu)先考慮下列的樣品特征：

• 樣品的尺寸

• 圓柱形樣品

• 樣品的厚度

• 標(biāo)尺

• 設(shè)備的再現(xiàn)性和重復(fù)性

樣品的尺寸

部件尺寸越小，形成所需壓痕的負(fù)載就越低。對于小尺寸的部件滿足最小厚度要求以及壓痕遠(yuǎn)離內(nèi)部或者外部邊界是極為重要的。較大的部件需要用適當(dāng)?shù)膴A具妥善固定，以確保在測試過程中不會移動或滑動。那些突出于砧座或者不易用砧座支撐的部件應(yīng)該裝夾到位或給予適當(dāng)?shù)闹�撐�?

圓柱形樣品

由于軸向和徑向的材料滑動之間有差異，當(dāng)測試小直徑的圓柱形樣品時，測試結(jié)果是需要修正的。根據(jù)圓柱凸面的直徑，圓弧修正參數(shù)被添加到測試結(jié)果。此外，與邊緣或另一個壓痕保持等于約為壓痕直徑 2〜1/2 倍的最小間隔是很重要的。  

樣品的厚度

樣品的最小厚度應(yīng)當(dāng)至少是壓痕深度的十倍。普通和表面洛氏方法都有最小厚度的要求。

標(biāo)尺

有時候必須以一種標(biāo)尺測量而以另一種標(biāo)尺報告。轉(zhuǎn)化功能很有必要，但要注意的是它未必能提供可靠的信息，除非已經(jīng)以不同標(biāo)尺的測試完成了實際的相關(guān)性。  

設(shè)備的再現(xiàn)性和重復(fù)性

設(shè)備的重復(fù)性和再現(xiàn)性研究用于計算操作者和儀器根據(jù)特定測試樣品的允差范圍進(jìn)行測試的能力。硬度測試也有固有變量，它們以標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備R＆R程序和實際測試樣品的公式來排除。材料的變化和無法以深度測量儀在同一區(qū)域進(jìn)行測試是兩個影響 GR＆R 結(jié)果的顯著因素。為了盡量減少這些影響，最好是對于高一致性的標(biāo)準(zhǔn)塊進(jìn)行研究，以便最小化這些內(nèi)置變化。

硬度測試的方法

在 ASTM E-18 中定義的洛氏測試方法是最常用的硬度測試方法。洛氏測試一般較容易進(jìn)行，而且比其他類型的硬度測試方法更準(zhǔn)確。洛氏測試方法用于所有金屬，除非測試的金屬結(jié)構(gòu)或表面條件會導(dǎo)致太多的偏差；還有那些對于應(yīng)用的壓痕太大；或者樣品的尺寸或形狀限制了測試。

洛氏方法測量由壓頭上的力/負(fù)荷產(chǎn)生的壓痕的永久變形深度。首先，使用金剛石壓頭對樣品施加初步的加載力（通常被稱為預(yù)載荷）。此負(fù)荷表示穿透表面以降低表面光潔度影響的零位或參考位置。

 完成預(yù)壓后，再加上被稱為主載荷的額外負(fù)載，以達(dá)到所需的總測試負(fù)載�？紤]到彈性回復(fù)，保持這個力度至預(yù)定的時間（保載時間）。然后釋放該主載荷，然后測量該最終位置與從預(yù)壓位置的壓痕深度偏差，以及預(yù)壓和主載荷之間的壓痕深度偏差。這個距離被轉(zhuǎn)換成硬度值。

布氏測試方法由ASTM E10標(biāo)準(zhǔn)定義。大多時候用于測量鑄件和鍛件這些表面或者結(jié)構(gòu)過于粗糙的材料。布氏測試經(jīng)常使用非常重的測試負(fù)載（3000 千克力）和 10 毫米寬的壓頭，以便均衡壓痕大部分的表面和次表面的不一致性。

布氏方法以預(yù)定的測試負(fù)載（F）加載到一個固定直徑（D）的碳化鎢鋼球，保持一定的預(yù)載時間然后卸載。然后對壓痕進(jìn)行至少兩次直徑測量 - 通�；ハ啻怪狈较蛏先缓笕∑骄�值（d）。隨后使用轉(zhuǎn)化表把測量的平均直徑轉(zhuǎn)換為布氏硬度值。測力范圍在 500 至 3000 千克力之間。

一般上布氏硬度試驗機(jī)產(chǎn)生一個壓痕，接下來再使用專配的布氏顯微鏡或光學(xué)系統(tǒng)測量壓痕的直徑。然后使用布氏公式或基于公式的轉(zhuǎn)換表把測量結(jié)果轉(zhuǎn)換成布氏值。

球型壓頭的直徑范圍可以在 10 毫米至 1 毫米之間。一般而言，更低的負(fù)載和球型直徑是為了更方便地與其他儀器結(jié)果比對，如具有小負(fù)載量程的洛氏單位。  

維氏測試方法，維氏測試方法也被稱為顯微硬度測試方法主要用于小零件、薄片或硬化層深度工作。維氏方法是基于光學(xué)測量系統(tǒng)的。顯微硬度測試程序 根據(jù)ASTM E-384標(biāo)準(zhǔn)要求 以金剛石壓頭按照指定的低負(fù)載范圍加載形成壓痕，并測量、轉(zhuǎn)換為硬度值。

只要測試樣品是精心準(zhǔn)備的，該測試對于廣泛類型的材料檢測是十分有用的。

底面為正方形的倒錐形金剛石用于維氏標(biāo)尺的試驗。雖然“宏觀”維式負(fù)載的范圍可以高達(dá) 30 公斤以上，常規(guī)負(fù)載是很輕的介于幾克到一或幾公斤范圍之內(nèi)。該顯微硬度的方法用于檢測金屬、陶瓷、復(fù)合材料 - 幾乎任何類型的材料。

由于維氏測試的壓痕是非常小的，它適用于不同種類的應(yīng)用：檢測非常薄的材料如金屬箔或測量部件、小零件或小區(qū)域的表面、測量單個微觀結(jié)構(gòu)或測量硬化層深度。該測量通過部分剖面進(jìn)行一系列的壓痕來描述硬度變化的剖面。

努氏測試方法，也被稱為顯微硬度測試方法主要用于小零件、薄片或硬化層深度工作。維氏方法是基于光學(xué)測量系統(tǒng)的。顯微硬度測試程序 根據(jù)ASTM E-384 標(biāo)準(zhǔn)要求按照指定的低負(fù)載范圍加載形成壓痕，并測量、轉(zhuǎn)換為硬度值。

只要努氏測試樣品是精心準(zhǔn)備的，該測試對于廣泛類型的材料檢測是十分有用的。倒錐形的金剛石壓頭以努氏規(guī)模進(jìn)行檢測。此壓頭不同于上文維氏測試中所使用的倒錐形型壓頭。努氏壓頭的形狀是比較延伸或矩形的。  

當(dāng)壓痕間隔非常緊密或非常接近樣品的邊緣時通常會使用努氏方法。努氏壓痕的寬度可以為測量提供更高的分辨率而且壓痕也更淺。因此，它可以用于非常薄的材料。

努氏測試中，以倒錐形的金剛石壓頭在指定的保載時間內(nèi)施加預(yù)定的測試負(fù)載。

努氏測試中所使用的倒錐形壓頭比維氏測試中的壓頭更細(xì)長。保載時間后卸載。與測量壓痕的縱向和橫向長度取得其平均值的維氏測試不同，努氏方法僅僅測量壓痕的橫向長度。然后以根據(jù)轉(zhuǎn)換表換算為努氏硬度值。  

由于努氏測試的壓痕非常小，它適用于不同種類的應(yīng)用包括檢測非常薄的材料如金屬箔或測量部件、小零件或小區(qū)域的表面、測量單個微觀結(jié)構(gòu)或測量硬層硬化的深度。該測量通過部分剖面進(jìn)行一系列的壓痕來體現(xiàn)硬度的變化。  

硬層深度就是樣品上的硬化層厚度。硬層硬化改善了部件在動態(tài)和/或熱應(yīng)力作用下的耐磨性和疲勞強(qiáng)度。硬化鋼部件一般用于需要高耐磨性和強(qiáng)度轉(zhuǎn)動的應(yīng)用。硬層硬化的特性主要是由表面硬度、有效硬化深度和殘余應(yīng)力的深度剖面來確定的。變速器和發(fā)動機(jī)部件就是硬化的例子。

硬層深度測試一般通過從樣品邊緣朝向中心的產(chǎn)生一系列的硬度壓痕。之后把硬度的演變繪制在圖上，并計算從該表面到硬度極限（HL）的距離。