材料硬度

**材料硬度**在材料科學中指「固體材料抗拒永久形變的特性」，是一種重要力學性能。固體對外界物體入侵的局部抵抗能力，是比較各種材料軟硬的指標。在實際應用中，由於測量方法不同，所以有不同的硬度標準，測得的硬度所代表的材料性能也各異。例如金屬材料測得的壓入硬度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。所以，各種硬度標準的力學含義不同，單位也不同，彼此間沒有固定的換算關係，但可通過試驗加以對比。

硬度試驗是機械性能試驗中最簡單易行的一種試驗方法。為了能用硬度試驗代替某些機械性能試驗，生產上需要一個比較準確的硬度和強度的換算關係。大部分金屬的硬度與其強度有關。例如低碳鋼的強度約等於 0.36 布氏硬度，灰鑄鐵的強度約等於 0.1 布氏硬度。

## 刻劃硬度

刻劃硬度（Scratch hardness）在礦物學裡一般指物質刺入另外一種較軟物質的能力。早在 1822 年，德國礦物學家腓特烈・摩斯（德語：Friedrich Mohs）提出用 10 種礦物作為礦物的硬度標準，這是所謂的摩氏硬度計。一般莫氏硬度分 10 級，後來因為出現了一些人工合成的硬度大的材料，1933 年裡奇韋（Ridgway）在莫氏硬度的基礎上將標度擴大為 15 級。莫氏硬度標度上的硬度增量非常任意，不是線性或成比例的。因此，該試驗主要用於測定礦物的相對硬度，而不用於其他材料，如金屬。

「鉛筆硬度」是在塗膜工業中用以表述塗層表面抵抗刮擦，擦傷或氣刨的能力。GB/T 6739-2006、ISO 15184:1998、ASTM D3363 和 JIS K-5600-5-4 中規定了用鉛筆法測定漆膜硬度的具體要求。硬度值記錄為不會刮擦或擦傷塗層表面的最硬的鉛筆。一套藝術鉛筆的變化範圍是從非常硬的淺色鉛筆到非常軟的深色鉛筆，通常從最硬到最軟的範圍可以表示如下：

但是，鉛筆筆芯硬度並無統一標準，不同廠家生產的同一標度的鉛筆，硬度可能不一樣，例如歐洲生產的 HB 鉛筆比美國的 HB 軟，比日本的 HB 硬。中華人民和國鉛筆標準對 HB 鉛芯的硬度要求為 176-225 HK。對於對比試驗，GB/T 6739-2006 建議使用同一生產廠的、同一批次的鉛筆，在 750g 的負載下以 45° 角向下壓在漆膜表面上。以沒有使塗層出現 3mm 及以上劃痕的最硬的鉛筆的硬度表示塗層的鉛筆硬度。9H 對應的努氏硬度約為 578-647HK，對應莫氏硬度在 6-7 之間。

## 壓入硬度

壓入硬度（Indentation hardness）指材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力。靜壓入硬度試驗是最常用的硬度測量方法，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載荷表示被測物體的硬度。按試驗力大小分宏觀硬度（>1 kg）、顯微硬度（2 g－0.5 kg）和奈米硬度（<1 g）。

### 布氏硬度

布氏硬度（HB）以瑞典工程師 Brinell 命名。布氏硬度試驗（GB/T 231.1-2002）是用一定直徑（10 mm, 5 mm, 2.5 mm, 1 mm）的淬火鋼球或硬質合金球作壓頭，以規定的試驗力下壓入金屬表面，保持一定時間（10－15 s）後卸載，用專用的刻度放大鏡測量表面的壓痕直徑，按下列公式計算硬度值：

　
: $\operatorname {HBW} =0.102{\frac {2F}{\pi D\left(D-{\sqrt {D^{2}-d^{2}}}\right)}}$

式中，F 為試驗力 [N]，D 為球直徑 [mm]，d 為壓痕平均直徑 [mm]。用鋼球壓頭時，硬度值的標記符號為 HBS，適用於硬度小於 450HBS 的材料；用硬質合金壓頭時，用 HBW 表示，適用於硬度 450－650HBW 的材料。

布氏硬度試驗比其他試驗方法慢，並在試樣上留下較大的永久壓痕，能在較大範圍內反映材料的平均硬度，測得的硬度值較準確，數據重複性好。不宜測定太硬、太小、太薄和表面不允許有較大壓痕的工件。

布氏硬度值 HBS 與抗拉強度 $\sigma _{b}$ 值在一定條件下存在著近似關係。對於鋼，當硬度值大於 175 時， $\sigma _{b}$ ≈3.62× 硬度值；當硬度值小於 175 時， $\sigma _{b}$ ≈3.45× 硬度值；對於灰鑄鐵， $\sigma _{b}$ ≈5/3×(硬度值 - 40)。

### 洛氏硬度

洛氏硬度（HR）以 Rockwell 命名。洛氏硬度試驗（GB/T 230.1-2004）以頂角為 120° 的金剛石圓錐或硬質合金球或淬火鋼球作壓頭，壓入金屬表面，先後兩次施加試驗力，使用差分深度測量硬度。根據所用的壓頭及試驗力的不同組合區分了 15 種洛氏硬度標尺（英語：Rockwell scale）（A、B、C、D、E、F、G、H、K、L、M、P、R、S、V）。硬度標尺 A、C、D 使用 120° 金剛石錐，硬度計算公式為：

　
: $\mathrm {HR} =100-{\frac {t}{0{.}002\,\mathrm {mm} }}$

式中，t 為去除主試驗力後，在初始試驗力下的殘餘壓痕深度增量 [mm]。標尺 N 和 T 表示表面洛氏硬度，其試驗載荷較小，通常用於測量小尺寸、薄試樣以及表面熱處理和具有表面鍍層的零件。

洛氏硬度與布氏硬度相比，缺點是其數據重複性差、硬度值的準確性較差。因此，一般至少要選取不同位置的 3 點測出硬度值，再計算平均值作為被測材料的硬度值。洛氏硬度優點是壓痕小，對試樣表面損傷小，試驗操作簡單，可以直接從試驗機上顯示出硬度值，可直接檢驗從很軟到很硬（甚至很薄）金屬材料的硬度。

### 維氏硬度

維氏硬度（HV）以英國 Vickers 公司命名。維氏硬度試驗（GB/T 4340.1-1999）使用 136° 正四稜錐形的金剛石壓頭，有最大的定義範圍。根據試驗力的大小，維氏硬度分為常規維氏硬度（5－100）、小載荷維氏硬度（0.2－3）和顯微維氏硬度（0.01－0.1）。維氏硬度值的計算公式為：

　
: ${\mbox{HV}}\cong 0.1891\cdot {\frac {F}{d^{2}}}\quad [{\textrm {N/mm}}^{2}]$

式中，_F_ 為負荷 [N]，_d_ 為平均壓痕對角線長度 [mm]。

維氏硬度試驗時對試件表面質量要求較高，測試方法較繁，成本較高，但因所加的試驗力較小，壓入深度較潛，故可測量較薄或表面硬度值較大的材料。在測量從很軟到很硬的各種金屬材料時，連續性好、準確性高。

**測量儀**

* 超聲波硬度計是利用超聲波聲阻抗法（UCI）施加靜載得到壓痕，用裝有維氏壓頭的諧振杆的諧振頻率增量來確定壓頭與試樣的接觸面積。利用頻率變化量計算硬度，避免了因壓痕邊緣不清晰而帶來的測量誤差。

### 努氏硬度

努氏硬度 (HK) 或稱微硬度以美國人 Knoop 命名。努普顯微硬度試驗（GB/T 18449.1-2001）方法與維氏硬度試驗相似，但採用金剛石長菱形壓頭，兩長棱夾角 172.5°，兩短棱夾角 130°，卸除試驗力後測量試樣表面壓痕長對角線長度 d。努氏主對角線約為維氏對角線的三倍，用來測試小面積物質，使其更適合測試陶瓷等脆性材料。努氏硬度按下式計算：

　
: $HK=1{.}451\,{\frac {F}{d^{2}}}$

### 奈米硬度

奈米硬度測量使用 µN－mN 量級的載荷，通常使用別爾闊維契壓頭，棱面與錐體中心線之間的夾角為 65.03°。硬度值是負荷與壓痕投影面積的比，計算公式為：

　
: $H_{IT}={\frac {F}{23.96h^{2}}}$

式中，F 為所施加的試驗力 [N]，h 為壓痕深度 [mm]。

### 其他

* 楊卡硬度以奧地利出生的美國研究員 Gabriel Janka 命名，用以描述木材的硬度。常用標準為 ASTM D1037。
* 邁氏硬度以 Eugene Meyer 命名。 $H={\frac {P_{\text{max}}}{A_{\text{p}}}}$ 其中， $P_{\text{max}}$ 為最大負載， $A_{\text{p}}$ 是壓痕的投影面積。

* 邵氏硬度（HS）以美國人 Albert Shore 命名，用於聚合體強度，它的單位是「度」。根據壓痕器的類型不同可分 A、C、D 三類。A 型用於測量橡膠和軟塑，D 型可以測量硬塑，C 型測針是一個直徑 5 mm 的圓球，用來測量泡沫、海綿。用邵氏硬度計插入被測材料，錶盤上的指針通過彈簧與一個刺針相連，用針刺入被測物表面，錶盤上所顯示的數值即為硬度值。相關標準有 DIN EN ISO 868、DIN ISO 7619-1 和 ASTM D2240-00。
* 巴氏硬度（HBa），以特定壓頭在標準彈簧的壓力作用下壓入試樣表面，以壓痕的深淺表徵試樣硬度的高低。 $\mathrm {HBa} =100-{\frac {h}{0{.}0076}}$ ，h 為壓痕深度。巴氏硬度用於鋁合金或玻璃鋼等合成材料，範圍從 0 到 100。
* 韋氏硬度（HW）以 Webster 命名。GB/T 32660-2016 和 YS/T 420-2000 中規定了韋氏硬度試驗的要求，用於 3003-O 到 7075-T6 鋁合金類產品韋氏硬度值測量，測量值的範圍相當於洛氏硬度 25-110 HRE。

## 回彈硬度

回彈硬度（Rebound hardness）也稱動態硬度（dynamic hardness）或絕對硬度，是使一個具有標準質量和尺寸的物體由試驗表面彈回，取回跳高度作為硬度標準。

里氏硬度以 Dietmar Leeb 命名。里氏回彈硬度測試（LRHT）是測試金屬硬度的四種最常用方法之一。根據衝擊裝置不同，硬度單位有 HLD、HLG 等多種。詳細測試方法，請參閱標準 DIN 50156、ASTM A956、ISO/DIS 16859《金屬材料 里氏硬度試驗》。

　
: $HL={\frac {v_{R}}{v_{A}}}\cdot 1000$

肖氏硬度以美國人 Albert Shore 命名，測量金屬硬度。測試原理是將規定的金剛石沖頭從固定的高度落在試樣的表面上，沖頭彈起一定高度，將彈起高度與下落高度之比用以計算肖氏硬度。

## 參見

* 強度
* 硬度試驗

## 注釋

## 參考文獻