机械性能试验——硬度
一、硬度试验的意义及分类
金属力学性能试验包括硬度、静拉伸、压缩、弯曲、静扭转、剪切、冲击、断裂韧度、疲劳、磨损、高温性能等等试验方法。
这些试验是对有规定尺寸和形状的试样（或工件），在专用实验仪器和设备上，在规定条件下，施加有特定含义的试验载荷，从而使试验结果能够表征材料（或工件）的各种机械性能指标。
本文主要讲述硬度试验。
硬度，顾名思义，就是材料的软硬程度。它是材料的诸多力学性能指标中最常用的性能指标之一。其意义是表征金属表面局部体积内抵抗变形的能力或金属抵抗破裂的能力。
金属的硬度没有确切的物理意义，但是它与材料的静强度、疲劳强度存在近似的经验关系，还与冷成型、切削性、焊接性等工业性能也间接存在某些关系。因此，硬度值对于控制材料冷热加工工艺质量有一定的参考意义。硬度还与玻璃、陶瓷等脆性材料的断裂韧度存在一定的经验关系。此外，表面硬度和显微硬度试验可以反映金属表面及其局部范围内的力学行为，因此，可以用于检验材料表面处理的结果或微区组织鉴定。
硬度测试按获得硬度值的方法可以分为压入法、回跳法、划痕法三种。压入法主要有布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、显微维氏硬度及努氏硬度；回跳法有里氏硬度、肖氏硬度；划刻法有莫氏硬度。上述硬度试验方法均在不同的工业生产领域中得到了广泛的应用。
二、布氏硬度试验
2.1 布氏硬度试验原理和规定
布氏硬度试验法是用一定直径的硬质合金压头施加试验力，使其压入试件表面（见图1），在一定范围内，试验力与压痕面积成正比，此比值即可表示为布氏硬度（1-1），可见布氏硬度有点儿类似压应力的概念。
由于测试零件厚度和材料硬度不同，如果只采用一个标准的试验力，则对钢材和厚工件虽然合适，但对软金属（如铝、锡等）或薄的工件（如厚度＜2mm）就不适合，这时要根据不同材料和工件厚度，选择不同的试验力F和压球直径D的搭配。为了得到统一的、可以比较的HBW值，布氏硬度压痕需要遵守相似法则，保证压痕几何形状相似，也就是说保证压入角φ恒定
2.3 布氏硬度试验的特点及主要事项
2.3.1特点
布氏硬度的优点是其硬度值代表性全面，数据稳定，测量精度较高。因为其压痕面积较大，能反映金属表面较大范围内各组成相综合平均的性能数值，故特别适用于测定灰铸铁、轴承合金等具有粗大晶粒或较粗大组成相的金属材料。
其缺点是操作时间较长，对不同材料的式样需要更换不同直径的压头球和不同的试验力，压痕测量也较费时间。在进行高硬度材料测试时，由于压头球本身的变形，会使测量结果不准确，因此一般对硬度＞ 650HBW的材料，便不能使用。还由于压痕较大，成品检验和薄件测试会产生无法解决的困难。
2.3.2主要事项
为了测试准确性，试验过程中应注意以下事项：
1）试样厚度
试样厚度应大于压痕深度的10倍以上，在压痕相对的一面，不应有影响加载的弧形面等凹陷存在。
2）试验件表面
平整表面能获得最佳结果。半径小于25.4mm的弧形试验表面不应作试验。
3）压痕间距
为了测量精度，压痕中心到工件任一边沿的距离应大于压痕直径的三倍，相邻压痕的中心间距也应大于压痕直径的三倍。
4）被测工件表面粗糙度
布氏硬度的精度与压痕的清晰度有关，表面应当经过切削、研磨或者抛光。另外为了测量精度，工件表面必须能代表材料本体。表面脱碳或表层硬化层都必须在试验前去除掉。
5）砧座
为了保证实验表面与试验力方向垂直（允许＜2°范围），工件在实验时移动量最少。工件必须正确地放在砧座上。
6）特别说明：用淬火钢做压头球时，布氏硬度表示为HBS，而用硬质合金做压头球时，布氏硬度则表示为HBW。HBS与HBW不是完全相同，在低硬度时两者相差不大，而在高硬度时候，相差很大，实践中应注意区别。
三、洛氏硬度试验
3.1 洛氏硬度试验原理和规定
洛氏硬度试验是目前应用最广泛的试验方法，它与布氏硬度不同，不是测试压痕直径表示硬度值，而是测量压痕深度来表示硬度值。它以深度值 t 表示材料的硬度指标，金属越硬，t 值越小；反之，t 值越大，金属越软。但是，如果直接将 t 的大小作为硬度指标，将与人们对硬度高低的习惯认识相悖，为此，选取了一常数K，减去压痕深度，即（K-t）作为硬度值的指标，并规定每0.002mm（也就是2μm）为一个洛氏单位，用符号HR表示
为保证压头与式样表面接触良好，试验时首先加一初始试验力（100N），在金属表面得一压痕深度t0，此时旋转表盘使指针指“0”，图4a ），这表明压痕深度t0不计入硬度值。然后再加主试验力1400N，压头压入深度为t1，表盘上指针以逆时针方向转动到相应位置，图4 b）。当主载荷试验力卸去后，总变形中的弹性变形部分将恢复，压头将回升一段距离（t1-t），图4c），这时金属表面总变形中残留下来的塑形变形部分即为压痕深度t，而表盘上顺时针所指位置，即代表HRC硬度值。
洛氏硬度试验具有以下优点：
（1）因洛氏有不同标尺，压头有硬质、软质多种，可以测出从极软到极硬的材料的硬度，不存在压头变形问题。
（2）压痕小，对工件损伤极其轻微。
（3）操作简单迅速，立刻得出数据。缺点是采用不同的硬度级别测得的硬度去发进行统一比较，不像布氏硬度那样可以根据硬度数值直接比较材料软硬相差程度。此外，因压痕小，对于具有较粗大组织的材料，得数缺乏代表性，因此，粗大组织或者有粗大相组成的材料不宜采用洛氏硬度试验。
3.2 几种特殊洛氏硬度试验方法
3.2.1曲面洛氏硬度试验法
采用洛氏硬度试验方法测定曲率半径较大的弯曲面或柱面的硬度时，可能会带来较大误差，需要进行一定的修正
表面洛氏硬度试验法
表6中15N、30N、45N、15T、30T、45T为表面洛氏硬度试验方法，属于轻载荷洛氏硬度试验法，初始试验力为29.42N（3kgf），总试验力为147.1N（15kgf）、294.2N（30kgf）、441.3N（45kgf），并以0.001mm（1μm）压痕深度为一个硬度单位，表盘满刻度100。一般用于测定极薄材料、薄层化学热处理零件、微小零件的表面硬度。
洛氏硬度试验的主要事项和局限性
1）试样表面的制备
对于1471N（150kgf）试验力的金刚石压头或980.7N（100kgf）试验力的淬火钢球压头，表面精磨已经足够，粗磨也可达到要求，有车加工刀纹的试件，需要将刀纹打磨去除。对于轻载荷（如147.1N（15kgf）试验力），一般磨光或抛光表面。另外，表面缺陷如脱碳、氧化等，应当去除后才可侧得准确值。一般情况下，务必打磨露出金属本体才可以测试准确。
2）压痕间距
量压痕中心间距必须大于倍压痕直径，压痕中心距边沿距离应大于2.5倍压痕直径。
3）试验尺寸和形状
对于特殊形状的工件（如大件、长件、片状件、薄壁体、环形件、管材等等），需要附加支承装置。对于大而笨重的工件必须放在支架或特殊的垫块上，对长试样，应当避免在试样和压头之间产生附加弯曲，而不是单纯的压应力，在测定长试样一端时，另一端应支撑在辅助支架上，不应用手来代替支架。对于圆柱形式的试样应采用v型砧座。
为适应各种形状工件，可以做的特殊砧座，可以订货。
四、维氏硬度和努氏硬度试验
维氏硬度试验
维氏硬度试验原理和方法：维氏硬度原理基本上和布氏硬度相同，也是根据单位压痕上所受的实验力计算硬度值。所不同的是维氏硬度采用了锥面夹角为136°的金刚石四棱锥体。由于压入角φ恒定不变，使得试验力改变时，压痕的几何形状相似。因此，在维氏硬度实验中，理论上讲，试验力可以任意选择，而所得的硬度值相同，这是维氏硬度实验的主要优点，也是最大优点。四棱锥面夹角之所以选择136°，是为了所测数据与HBW值能得到最大的接近。因为一般布氏硬度试验时压痕直径d，多半在0.25~0.5D（压球直径）之间，取平均值0.375D，这时布氏硬度的压入角恰好是φ=44°，而136°四棱锥形压痕的压入角也是44°，所以在中低硬度范围内，维氏硬度与布氏硬度值很接近。
