【正文】 靜荷載下將一個硬的物體壓入材料，這樣測得的硬度主要僅反映材料抵抗塑性形變的能力。而陶瓷、礦物材料使用的壓痕硬度卻反映材料抵抗破壞的能力?？虅澐ㄓ捕戎当碚鞑牧媳砻鎸植壳袛嗥茐牡目沽?。因此，而且硬度沒有統(tǒng)一的意義，各種硬度單位也不同，彼此間沒有固定的換算關(guān)系。一般可以認(rèn)為，硬度是指材料表面上不大體積內(nèi)抵抗變形或破裂的能力。4．硬度測試方法的優(yōu)點(diǎn)硬度試驗(yàn)所用設(shè)備簡單，操作方便快捷，故被廣泛用來檢驗(yàn)經(jīng)熱處理的工件質(zhì)量和進(jìn)行材料研究。 硬度試驗(yàn)一般僅在材料表面局部區(qū)域內(nèi)造成根小的壓痕。可視為無損檢測，故可對大多數(shù)機(jī)件成品直接進(jìn)行檢驗(yàn)，無需專門加工試樣。故硬度檢驗(yàn)已成為產(chǎn)品質(zhì)量檢查、制定合理工藝等的重要試驗(yàn)方法之一。二．靜載壓入法靜載壓入的硬度試驗(yàn)法種類很多，常用布氏硬度、維氏硬度及洛氏硬度法。這些方法的原理都是在靜壓下將一硬的物體壓入被測物體表面。以表面壓入凹面單位面積上的荷載表示被測物體的硬度。圖2．39為幾種常用硬度的原理及計(jì)算方法。1．布氏硬度1）測試原理布氏硬度的測定原理是用一定大小的載荷F（kg），把直徑為D（mm）的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球壓人試樣表面（如圖，保持規(guī)定時間后卸除載荷，測量試樣表面的殘留壓痕直徑d，求壓痕的表面積S．將單位壓痕面積承受的平均壓力（F／S）定義為布氏硬度，其符號用HB表示 上式為布氏硬度值的計(jì)算式，表示材料越硬。2）布氏硬度的表示方法壓頭材料不同，表示布氏硬度值的符號也不同。當(dāng)壓頭為硬質(zhì)合金球時，用符號HBW表示，適用于布氏硬度值為450～650的材料；當(dāng)壓頭為淬火鋼球時，用符號HBS表示，適用干布氏硬度值低干450的材料布氏硬度值的表示方法，一般記為“數(shù)字＋硬度符號（HBS或HBW）＋數(shù)字/數(shù)字/數(shù)字”的形式，符號前面的數(shù)字為硬度值，符號后面的數(shù)字依次表示鋼球直徑、載荷大小及載荷保持時間等試驗(yàn)條件。例如，當(dāng)用10mm淬火鋼球，在3000kg載荷作用下保持30s時測得的硬度值為280，則記為 280HBS10/3000/30，當(dāng)保持時間為10一15s時可不標(biāo)注。如，50HBW5/750表示用直徑為5mm的硬質(zhì)合金球，在750kg載荷作用下保持10一15s測得的布氏硬度值為500。3）測試中荷載與鋼球直徑的選擇 由于材料有軟有硬，工件有薄有厚，如果只采用一種標(biāo)準(zhǔn)載荷F和鋼球直徑D，就會出現(xiàn)對硬的材料合適，而對軟的材料發(fā)生鋼球大部分陷人材料內(nèi)的現(xiàn)象，若對厚的材料合適，而對薄的材料可能發(fā)生壓透的現(xiàn)象。因此在生產(chǎn)實(shí)際中進(jìn)行布氏硬度檢驗(yàn)時，需要使用大小不同的載荷F和壓頭直徑D．問題在于當(dāng)對同一種材料采用不同的F和D進(jìn)行試驗(yàn)對，能否得到同一布氏硬度值。布氏硬度試驗(yàn)的具體操作及試驗(yàn)規(guī)范可接 GB 6271）86的規(guī)定進(jìn)行。4）布氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)布氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是壓痕面積較大，其硬度值能反映材料在較大區(qū)域內(nèi)各組成相的平均性能。因此，布氏硬度檢驗(yàn)最適合測定灰鑄鐵、鈾承合金等材料的硬度。壓痕大的另一優(yōu)點(diǎn)是試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性高。 布氏硬度試驗(yàn)的缺點(diǎn)是因壓痕直徑較大，一般不宜在成品件上直接進(jìn)行檢驗(yàn)；此外，對硬度不同的材料需要更換壓頭直徑D和載荷F，同時壓痕直徑的測量也比較麻煩。5）應(yīng)用布氏硬度法主要用來測定金屬材料中較軟及中等硬度的材料，很少用于陶瓷。2．洛氏硬度洛氏硬度也是一種壓入硬度試驗(yàn)方法。1）原理其原理不是通過測壓痕面積求得硬度值。而是以測量壓痕深度值的大小來表示材料的硬度值。洛氏硬度試驗(yàn)所用的壓頭為圓錐角。α=120176。\ mm的淬火鋼球。載荷分先后兩次施加，先加初載荷F1，再加主載荷F2，其總載荷為F（F＝F1＋F2）。 洛氏硬度的試驗(yàn)規(guī)范參考國標(biāo) GB/T 230912）洛氏硬度試驗(yàn)法的優(yōu)缺點(diǎn)洛氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是操作簡便迅速；壓痕小，可對工件直接迸行檢驗(yàn)；采用不同標(biāo)尺，可測定各種軟硬不同和薄厚不一試樣的硬度。其缺點(diǎn)是因壓痕較小，代表性差；尤其是材料中的偏析及組織不均勻等情況，使所測硬度值的重復(fù)性差、分散度大；用不同標(biāo)尺測得的硬度值既不能直接進(jìn)行比較，又不能彼此互換。3）應(yīng)用洛氏硬度法測量的范圍較廣，采用不同的壓頭和負(fù)荷可以得到15種標(biāo)準(zhǔn)洛氏硬度。此外，還有15種表面洛氏硬度。其中，HRA，HRC能用來測量陶瓷的硬度。3．維氏硬度（Vieker）為了使軟硬不同的各種材料有一個連續(xù)一致的硬度指標(biāo)，制定了維氏硬度試驗(yàn)法。1）原理維氏硬度的試驗(yàn)原理與布氏便度基本相似，也是根據(jù)壓痕單位面積所承受的載荷來計(jì)算硬度值的。所不同的是維氏硬度試驗(yàn)所用的壓頭是兩相對面頁夾角α為136176。的金剛石四棱錐體。試驗(yàn)時，在載荷F的作用下，試樣表面被壓出一個四方椎形壓痕，測量壓痕的對角線長度分別為d1和d2。取其平均值d，用以計(jì)算壓痕的表面積S。F／S即為試樣的硬度值，用符號HV表示。2）維氏硬度的表示方法維氏硬度值的表示式為“數(shù)字＋HV＋數(shù)字/數(shù)”的形式。HV前面的數(shù)字表示硬度值，HV后面的數(shù)字表示試驗(yàn)所用載荷和載荷待續(xù)時間。例如，640HV30／20表明在載荷30Kg作用下，持續(xù)20s測得的維氏硬度為640。若載荷持續(xù)時間為10一15 S，則可不標(biāo)出持續(xù)時間。 顯微維氏硬度的試驗(yàn)原理與維氏硬度試驗(yàn)一樣，所不同的是負(fù)荷以g計(jì)量，壓痕對角線長度以μm計(jì)。主要用來測定各種組成相的硬度以及研究金屬化學(xué)成分、組織狀態(tài)與性能的關(guān)系、顯微硬度仍用HV表示。維氏硬度及顯微硬度的試驗(yàn)規(guī)范參考GB 4344）－84和 GB 4342－84。3）維氏硬度試驗(yàn)法的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：（1）由于角錐壓痕清晰，采用對角線長度計(jì)量，精確可靠；（2）壓頭為四棱錐體，當(dāng)載荷改變時，壓入角恒定不變，因此可以任意選擇載荷，而不存在布氏硬度那種載荷F與壓球直徑D之間的關(guān)系約束。（3）維氏硬度也不存在洛氏硬度那種不同標(biāo)尺的硬度無法統(tǒng)—的問題，而且比洛氏硬度所測試件厚度更薄。缺點(diǎn)：測定方法較麻煩，工作效率低，壓痕面積小，代表性差，所以不宜用于成批生產(chǎn)的常規(guī)檢驗(yàn)。4）應(yīng)用維氏硬度法及努普硬度法都適用于較硬的材料，也用于測量陶瓷的硬度；一般無機(jī)材料也常用顯微硬度法測量。其原理和維氏硬度法一樣，但其負(fù)荷載只有l(wèi)一200g(約1022N)，其d值只有幾個微米，故較適用于測量脆性材料。一些材料的硬度值列于表2．10。5）維氏硬度法測定無機(jī)材料的斷裂韌性（1）方法 在維氏硬度試驗(yàn)機(jī)上，在適當(dāng)荷載下，用維氏壓頭，在拋光的陶瓷材料試件表面上壓出壓痕。由于陶瓷性脆，在正方形壓痕的四角，沿輻射方向出現(xiàn)裂紋，見圖2．40所示。若選用荷載適當(dāng)，在壓痕對角線方向的剖面接近半圓形。這一般要求c≥2．5a。根據(jù)不同荷載下，c與a的關(guān)系，并應(yīng)用直接法測得的KIC值，擬合出適用于這類材料的維氏法計(jì)算公式。凡是在構(gòu)件、制品上取的樣品，拋光后，測得壓出的c，a值，即可用公式求出這類材料制品的KIC。（2）計(jì)算公式許多學(xué)者從不同的角度進(jìn)行研究，獲得了類似的結(jié)論。 ①1976年A．G．Evans和E．A．Charles通過對壓痕斷裂的量綱分析，首先得出了c與a的關(guān)系式 ()式中，KIC為斷裂韌性，H為材料的維氏硬度；v為泊松比，Rg為塑性變形區(qū)半徑，μ為壓頭與材料間的摩擦系數(shù)，Φ為約束因子(≈3)，F(xiàn)1，F(xiàn)2為經(jīng)試驗(yàn)確定的函數(shù)。 ②Evans等人用各種材料試驗(yàn)的結(jié)果，得(2．105)式的具體形式為 ()式中，k為(2．105)式中F2的一個修正系數(shù)，約為3．2。這個公式用于一般陶瓷材料所得KIC的離散性較大，Evans認(rèn)為達(dá)177。30％。故(2．106)式只能用來粗略估計(jì)。③J．Lankford對這類裂紋進(jìn)一步研究，提出了改進(jìn)后的 Evans關(guān)系式。 ()（3）提高測試精度的方法①如果考慮了材料的彈性模量E及維氏硬度的實(shí)測值，將會提高壓痕法測量 KIC的精度。②因?yàn)楦鞣N材料有不同的(c/a)項(xiàng)的指數(shù)和系數(shù)，減少壓痕法的誤差除了準(zhǔn)確測量a，c值外，關(guān)鍵是對不同材料應(yīng)選擇各自適用的關(guān)系式。例：含釔HPSN陶瓷的壓痕關(guān)系式為 () 根據(jù)(2107)式，lna與lnc應(yīng)有線性關(guān)系。經(jīng)多次試驗(yàn)驗(yàn)證，它們的線性相關(guān)系數(shù)r一般均在O．999以上。證明確有上述(2108)式關(guān)系存在。（4）用Vicker壓痕法的測定斷裂韌性的具體步驟①選擇與構(gòu)件的成分、工藝相同的材料制備測KIC值的試件；②測材料的KIC，E，Hv等值；③在試件拋光(到O．5μm)的表面上，在250kg不等的荷載下(選擇較小的荷載時，需能保證c／a≥2．5的要求)，在維氏硬度試驗(yàn)機(jī)上求出一系列的c，a值；④在同一荷載下，測試多組數(shù)值（一般除掉反常的，至少應(yīng)有6—7組數(shù)值），求其平均值。⑤按(2．108)式的通式 （）以lna及l(fā)nc為變量進(jìn)行線性擬合，求得u，V值；⑥將所測的所得u，V值應(yīng)用于待測的同類材料上(包括制品上取樣)，在取樣上再次測得系列化的c，a值；⑦利用已知的E及HV值，求其KIC值。 (2．109)式可簡化為 （） 用測定的c，a系列數(shù)據(jù)對(2．110)式進(jìn)行擬合，得直線斜率S1 ，進(jìn)而求得置KIC值。4．努普硬度努氏硬度也是一種顯微硬度試驗(yàn)方法。與顯微維氏硬度的區(qū)別有兩點(diǎn)：一是壓頭形狀不同， 努氏硬度使用的是兩個對面角不等的四棱錐金剛石壓頭（其對面角分別為172176。30’和130176。），因此，在試樣上得到的是長；二是硬度值不是試驗(yàn)力除以壓痕之表面積之商值，而是除以壓痕投影面積之商值。故測量出壓痕長對角線的長度l（μm)，就可按一定公式計(jì)算努氏硬度值。 努氏硬度壓痕細(xì)長，且只測量長對角線長度，故精確度較高。適于測定表面滲層、鍍層及淬硬層的硬度，還可以測定滲層截面上的硬度分布等。三．動載壓入法1．肖氏硬度肖氏硬度試驗(yàn)是一種動載試驗(yàn)法。1）原理將具有一定質(zhì)量的帶有金剛石或合金鋼球的重錘從一定高度落向試樣表面，根據(jù)重錘回跳的高度來表征材料硬度值大小。標(biāo)準(zhǔn)重錘從一定高度落下，以一定的動能沖擊試樣表面，使其產(chǎn)生彈性變形與塑性變形，其中一部分沖擊能轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃喂Ρ辉嚇游?，另一部分以彈性變形功形式儲存在試樣中。?dāng)彈性變形回復(fù)時能量被釋放，使重錘回跳至一定高度村料的屈服強(qiáng)度越高，塑性變形越小，則存儲的彈性能越高，重錘回跳得也越高，表明材料越硬。因此，肖氏硬度試驗(yàn)只有在材料彈性模量相同時才可進(jìn)行比較。肖氏硬度的符號用KS表示 肖氏硬度計(jì)一般為手提式。使用方便，便于攜帶。可測現(xiàn)場大型工件的硬度。其缺點(diǎn)是試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性受人為因素影響較大，測量精度較低。2．莫氏硬度陶瓷及礦物材料常用的劃痕硬度稱為莫氏硬度，它只表示硬應(yīng)從小到大的順序，不表示軟硬的程度，后面的材料可以劃破前面材料的表面。起初，莫氏硬度為分10級，后來因?yàn)槌霈F(xiàn)了一些人工合成的高硬度材料，故又將莫氏埂度分為15級．表2－5為兩種莫氏硬度分級的順序。表2．9莫氏硬度順序 順序 材料順序 材料 l 2 3 4 5 6 7 8 9 10 滑石 石膏 方解石 螢石 磷灰石 正長石 石英 黃玉 剛玉 金剛石 l 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1l 12 13 14 15 滑石 石膏 方解石 螢石 磷灰石 正長石 Si02玻璃 石英 黃玉 石榴石 熔融氧化鋯 剛玉 碳化硅 碳化硼 金剛石四．影響硬度的因素礦物、晶體和陶瓷材料的硬度取決于其組成和結(jié)構(gòu)。離子半徑越小，離子電價愈高，配位數(shù)越小，結(jié)合能就越大，抵抗外力摩擦、刻劃和壓入的能力也就愈強(qiáng)，所以硬度就較大。陶瓷材料的顯微結(jié)構(gòu)、裂紋、雜質(zhì)等都對硬度有影響。升高溫度，硬度將下降。