材料硬度

材料硬度在材料科学中指「固体材料抗拒永久形变的特性」，是一种重要力学性能。固体对外界物体入侵的局部抵抗能力，是比较各种材料软硬的指标。在实际应用中，由于测量方法不同，所以有不同的硬度标准，测得的硬度所代表的材料性能也各异。例如金属材料测得的压入硬度反映材料抵抗塑性形变的能力，而陶瓷、矿物材料使用的压痕硬度却反映材料抵抗破坏的能力。所以，各种硬度标准的力学含义不同，单位也不同，彼此间没有固定的换算关系，但可通过试验加以对比。 硬度试验是机械性能试验中最简单易行的一种试验方法。为了能用硬度试验代替某些机械性能试验，生产上需要一个比较准确的硬度和强度的换算关系。大部分金属的硬度与其强度有关。例如低碳钢的强度约等于0.36布氏硬度，灰铸铁的强度约等于0.1布氏硬度。 刻划硬度（Scratch hardness）在矿物学里一般指物质刺入另外一种较软物质的能力。早在1822年，德国矿物学家腓特烈·摩斯（德語：Friedrich Mohs）提出用10种矿物作為礦物的硬度標準，这是所谓的摩氏硬度计。一般莫氏硬度分10级，后来因为出现了一些人工合成的硬度大的材料，1933年里奇韦（Ridgway）在莫氏硬度的基础上将标度扩大为15级。莫氏硬度标度上的硬度增量非常任意，不是线性或成比例的。因此，该试验主要用于测定矿物的相对硬度，而不用于其他材料，如金属。 “铅笔硬度”是在涂膜工业中用以表述涂层表面抵抗刮擦，擦伤或气刨的能力。GB/T 6739-2006、ISO 15184:1998、ASTM D3363和JIS K-5600-5-4中规定了用铅笔法测定漆膜硬度的具体要求。硬度值记录为不会刮擦或擦伤涂层表面的最硬的铅笔。一套艺术铅笔的变化范围是从非常硬的浅色铅笔到非常软的深色铅笔，通常从最硬到最软的范围可以表示如下： 但是，铅笔笔芯硬度并无统一标准，不同厂家生产的同一标度的铅笔，硬度可能不一样，例如欧洲生产的HB铅笔比美国的HB软，比日本的HB硬。中华人民共和国铅笔标准对HB铅芯的硬度要求为176-225 HK。对于对比试验，GB/T 6739-2006建议使用同一生产厂的、同一批次的铅笔，在750g的负载下以45°角向下压在漆膜表面上。以没有使涂层出现3mm及以上划痕的最硬的铅笔的硬度表示涂层的铅笔硬度。9H对应的努氏硬度约为578-647HK，对应莫氏硬度在6-7之间。 压入硬度（Indentation hardness）指材料局部抵抗硬物压入其表面的能力。静压入硬度试验是最常用的硬度测量方法，原理都是在静压下将一硬的物体压入被测物体表面，以表面压入凹面单位面积上的载荷表示被测物体的硬度。按试验力大小分宏观硬度（>1 kg）、显微硬度（2 g－0.5 kg）和纳米硬度（<1 g）。 布氏硬度（HB）以瑞典工程师Brinell（英语：Johan August Brinell）命名。布氏硬度试验（GB/T 231.1-2002）是用一定直径（10 mm, 5 mm, 2.5 mm, 1 mm）的淬火钢球或硬质合金球作压头，以规定的试验力下压入金属表面，保持一定时间（10－15 s）后卸载，用专用的刻度放大镜测量表面的压痕直径，按下列公式计算硬度值： HBW = 0.102 2 F π D ( D − D 2 − d 2 ) {\displaystyle \operatorname {HBW} =0.102{\frac {2F}{\pi D\left(D-{\sqrt {D^{2}-d^{2}}}\right)}}} 式中，F为试验力[N]，D为球直径[mm]，d为压痕平均直径[mm]。用钢球压头时，硬度值的标记符号为HBS，适用于硬度小于450HBS的材料；用硬质合金压头时，用HBW表示，适用于硬度450－650HBW的材料。 布氏硬度试验比其他试验方法慢，并在试样上留下较大的永久压痕，能在较大范围内反映材料的平均硬度，测得的硬度值较准确，数据重复性好。不宜测定太硬、太小、太薄和表面不允许有较大压痕的工件。 布氏硬度值HBS与抗拉强度 σ b {\displaystyle \sigma _{b}} 值在一定条件下存在着近似关系。对于钢，当硬度值大于175时， σ b {\displaystyle \sigma _{b}} ≈3.62×硬度值；当硬度值小于175时， σ b {\displaystyle \sigma _{b}} ≈3.45×硬度值；对于灰铸铁， σ b {\displaystyle \sigma _{b}} ≈5/3×(硬度值-40)。 洛氏硬度（HR）以Rockwell命名。洛氏硬度试验（GB/T 230.1-2004）以顶角为120°的金刚石圆锥或硬质合金球或淬火钢球作压头，压入金属表面，先后两次施加试验力，使用差分深度测量硬度。根据所用的压头及试验力的不同组合区分了15种洛氏硬度标尺（英語：Rockwell scale）（A、B、C、D、E、F、G、H、K、L、M、P、R、S、V）。硬度标尺A、C、D使用120°金刚石锥，硬度计算公式为： H R = 100 − t 0 . 002 m m {\displaystyle \mathrm {HR} =100-{\frac {t}{0{.}002\,\mathrm {mm} }}} 式中，t为去除主试验力后，在初始试验力下的残余压痕深度增量[mm]。标尺N和T表示表面洛氏硬度，其试验载荷较小，通常用于测量小尺寸、薄试样以及表面热处理和具有表面镀层的零件。 洛氏硬度与布氏硬度相比，缺点是其数据重复性差、硬度值的准确性较差。因此，一般至少要选取不同位置的3点测出硬度值，再计算平均值作为被测材料的硬度值。洛氏硬度优点是压痕小，对试样表面损伤小，试验操作简单，可以直接从试验机上显示出硬度值，可直接检验从很软到很硬（甚至很薄）金属材料的硬度。 维氏硬度（HV）以英国Vickers公司命名。维氏硬度试验（GB/T 4340.1-1999）使用136°正四棱锥形的金刚石压头，有最大的定义范围。根据试验力的大小，维氏硬度分为常规维氏硬度（5－100）、小载荷维氏硬度（0.2－3）和显微维氏硬度（0.01－0.1）。维氏硬度值的计算公式为： HV ≅ 0.1891 ⋅ F d 2 [ N/mm 2 ] {\displaystyle {\mbox{HV}}\cong 0.1891\cdot {\frac {F}{d^{2}}}\quad [{\textrm {N/mm}}^{2}]} 式中，F 为负荷[N]，d 为平均压痕对角线长度[mm]。 维氏硬度试验时对试件表面质量要求较高，测试方法较繁，成本较高，但因所加的试验力较小，压入深度较潜，故可测量较薄或表面硬度值较大的材料。在测量从很软到很硬的各种金属材料时，连续性好、准确性高。 测量仪 超声波硬度计是利用超声波声阻抗法（德语：Ultrasonic Contact Impedance）（UCI）施加静载得到压痕，用装有维氏压头的谐振杆的谐振频率增量来确定压头与试样的接触面积。利用频率变化量计算硬度，避免了因压痕边缘不清晰而带来的测量误差。 努氏硬度 (HK) 或称微硬度以美国人Knoop命名。努普显微硬度试验（GB/T 18449.1-2001）方法与维氏硬度试验相似，但采用金刚石长菱形压头，两长棱夹角172.5°，两短棱夹角130°，卸除试验力后测量试样表面压痕长对角线长度d。努氏主对角线约为维氏对角线的三倍，用来测试小面积物质，使其更适合测试陶瓷等脆性材料。努氏硬度按下式计算： H K = 1 . 451 F d 2 {\displaystyle HK=1{.}451\,{\frac {F}{d^{2}}}} 纳米硬度测量使用µN－mN量级的载荷，通常使用别尔阔维契压头（英语：Berkovich tip），棱面与锥体中心线之间的夹角为65.03°。硬度值是负荷与压痕投影面积的比，计算公式为： H I T = F 23.96 h 2 {\displaystyle H_{IT}={\frac {F}{23.96h^{2}}}} 式中，F为所施加的试验力[N]，h为压痕深度[mm]。 杨卡硬度（英语：Janka hardness test）以奥地利出生的美国研究员Gabriel Janka命名，用以描述木材的硬度。常用标准为ASTM D1037。 迈氏硬度（英语：Meyer hardness test）以Eugene Meyer命名。 H = P max A p {\displaystyle H={\frac {P_{\text{max}}}{A_{\text{p}}}}} 其中， P max {\displaystyle P_{\text{max}}} 为最大负载， A p {\displaystyle A_{\text{p}}} 是压痕的投影面积。 邵氏硬度（英语：Shore hardness）（HS）以美国人Albert Shore（英语：Albert Ferdinand Shore）命名，用于聚合体强度，它的单位是“度”。根据压痕器的类型不同可分A、C、D三类。A型用于测量橡胶和软塑，D型可以测量硬塑，C型测针是一个直径5 mm的圆球，用来测量泡沫、海绵。用邵氏硬度计（英语：Shore durometer）插入被测材料，表盘上的指针通过弹簧与一个刺针相连，用针刺入被测物表面，表盘上所显示的数值即为硬度值。相关标准有DIN EN ISO 868、DIN ISO 7619-1和ASTM D2240-00。 巴氏硬度（英语：Barcol hardness test）（HBa），以特定压头在标准弹簧的压力作用下压入试样表面，以压痕的深浅表征试样硬度的高低。 H B a = 100 − h 0 . 0076 {\displaystyle \mathrm {HBa} =100-{\frac {h}{0{.}0076}}} ，h为压痕深度。巴氏硬度用于铝合金或玻璃钢等合成材料，范围从0到100。 韦氏硬度（HW）以Webster命名。GB/T 32660-2016和YS/T 420-2000中规定了韦氏硬度试验的要求，用于3003-O到7075-T6铝合金类产品韦氏硬度值测量，测量值的范围相当于洛氏硬度25-110 HRE。 回弹硬度（Rebound hardness）也称动态硬度（dynamic hardness）或绝对硬度，是使一个具有标准质量和尺寸的物体由试验表面弹回，取回跳高度作为硬度标准。 里氏硬度（英语：Leeb rebound hardness test）以Dietmar Leeb命名。里氏回弹硬度测试（LRHT）是测试金属硬度的四种最常用方法之一。根据冲击装置不同，硬度单位有HLD、HLG等多种。详细测试方法，请参阅标准DIN 50156、ASTM A956、ISO/DIS 16859《金属材料 里氏硬度试验》。 H L = v R v A ⋅ 1000 {\displaystyle HL={\frac {v_{R}}{v_{A}}}\cdot 1000} 肖氏硬度以美国人Albert Shore（英语：Albert Ferdinand Shore）命名，测量金属硬度。测试原理是将规定的金刚石冲头从固定的高度落在试样的表面上，冲头弹起一定高度，将弹起高度与下落高度之比用以计算肖氏硬度。 强度 硬度试验 仅适用于碳钢、低合金钢和铸钢在热成型和热处理条件下有效，对于高合金钢和冷作钢（如：6.8、A2、A4）有相当大的偏差。 关振铎. 无机材料物理性能. 清华大学出版社. 1992: 101. ISBN 9787302009559.  英漢化工大辭典. 中央圖書出版社. 1994: 430. ISBN 9789576372285.  Ridgway, Raymond R; Ballard, Archibald H; Bailey, Bruce L. Hardness Values for Electrochemical Products. Transactions of the Electrochemical Society. 1933, 63: 369. doi:10.1149/1.3493827.  C. Barry Carter; M. Grant Norton. 16.4. Ceramic Materials. Springer Science & Business Media. 2007: 294. ISBN 9780387462714.  ASTM D3363-20 Standard Test Method for Film Hardness by Pencil Test. [2022-01-07]. （原始内容存档于2022-01-07）.  Graphite Grading Scales Explained. 2014-11-08 [2017-02-05]. （原始内容存档于6 February 2017）.  Petroski, Henry. The Pencil: A History of Design and Circumstance. New York: Alfred A. Knopf. 1990: 229. ISBN 978-0-394-57422-6.  GB/T 26704-2011. 铅笔. 中国国家标准化管理委员会. 2011-06-16 [2022-01-07]. （原始内容存档于2022-01-09）.  GB/T 6739-2006 铅笔法测定漆膜硬度 (PDF). 中华人民和国国家标准. 中国国家标准化管理委员会. 2006-12-29 [2022-01-07]. （原始内容存档 (PDF)于2022-01-09）.  张宝忠. 现代机械制造技术基础实训教程. 清华大学出版社. 2004: 2. ISBN 9787810822176.  ISO 6506-1:2005 Ed. 2 Brinell hardness test Part 1: Test method GB／T231.1-2002 金属布氏硬度试验第1部分：试验方法 蒲永峰; 梁耀能. 机械工程材料. 清华大学出版社. 2005: 15–17. ISBN 9787810825788.  朱江峰; 肖元福. 金工实训教程. 清华大学出版社. 2004: 47. ISBN 9787302095989.  Standard Test Method for Portable Hardness Testing Hardness by the Ultrasonic Contact Impedance Method. ASTM International. [2015-07-30] （英语）.  （页面存档备份，存于互联网档案馆） 存档副本. [2022-01-05]. 原始内容存档于2021-11-17.  Frederick Knoop (1878–1943). [2022-01-05]. （原始内容存档于2021-10-20）.  Railsback’s: Some Fundamentals of Mineralogy and Geochemistry （页面存档备份，存于互联网档案馆） (englisch, PDF 20 kB) Janka hardness. Sizes.com. [4 May 2021]. （原始内容存档于2021-12-28）.  ASTMB648-00《使用巴氏硬度计测量铝合金硬度 的试验方法》 GB/T3854-2005《增强塑料巴柯尔硬度计试验方法》 ASTMD2583-07《巴氏硬度计测量硬塑料压痕硬度的试验方法》 GB/T 32660.1-2016 金属材料 韦氏硬度试验 铝合金韦氏硬度试验方法. 中华人民和国有色金属行业标准. 国家有色金属工业局. 2000-03-29 [2022-01-07]. （原始内容存档于2022-01-09）.  依据ISO 18265的硬度对照表. Bossard Group. 2021 [2022-01-07]. （原始内容存档于2022-01-09）.  刘莹; 邵天敏. 机械基础实验技术. 清华大学出版社. 2006: 157. ISBN 9787302125587.