材料硬度试验特点及分类

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一、金属材料硬度的定义
硬度是金属材料力学性能中最常用的一个性能指标。硬度检测义是最迅速最经济的一种试验方法。

但是对于金属材料的硬度，至今国内外还没有一个包括所有试验方法任内的统一而明确的定义。

一般说来，金属的硬度常被认为是：材料对压人塑性变形、划痕、磨损或切削等的抗力。

对压人法来讲，也被认为是：材料在一定条件下抵抗另一本身不发生残余变形物体压人的能力。

之所以存在上述两种说法，是因为“硬度”本身不是一个简单物理常数。它是一个不仅决定于所研究材料本身的宏观与微观条件(如宏观的变形程度，冷热加工条件,微观的金属晶体点阵类型、晶格常数和原子间的结合力等)，而且也决定于测试的特征和条件量。

可以这样说，对于被检测的材料而言，硬度是代表着在一定的压头和力的作用下所反应出的弹性、塑性、塑性形变强化率、强度、韧性以及抗摩擦性能等一系列不同物理量的综合性能指标。

例如,将同样尺计、相同材质的压头，以同样大小的试验力，分别压在铁和铜的表面上，去掉试验力后，看到铁被压入的压痕深度浅，而铜被压人的压痕深度深，这表明铁的形变抗力比铜的形变抗力大,即铁比铜硬。而实质上在这一比较中，还包括了两种材料的不同弹性 、塑性变形能力和形变强化率等因素在内。

另外，试验方法不同，硬度值的物理含义也不相同。例如布氏硬度试验，是比较不同材料单位而积上所受抗力的大小，而洛氏硬度没有量纲，只是在使用同一标尺条件下，以数值的大小来比较硬度值的高低。

因此，用更准确的定义去更科学地反映出硬度的客观实质，还有待于人们从试验中和对金属宏观和微观结构的深入研究中去获得。尽管如此，在不同试验方法的基础上，正确运用试验原理和试验条件，得出的试验结果对于各行各业正确使用金属材料、监视工艺的正确性、判定产品品质以及在科学实验中均有重大的实际意义。

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二、硬度试验的作用和特点
硬度检测能成为力学性能试验中最常用的一种方法，是因为硬度检测的结果在一定条件下能敏感地反映出材料在化学成分、组织结构和处理工艺上的差异。这种方法在检查原材料、监督热处理工艺正确性以及在研究固态相变过程和研究新材料、新合金中被泛地加以利用。

例如，在钢铁材料中，当马氏体形成时，由于溶入过饱和的碳原了而增大了晶格畸变，增加了位错密度，从而显著降低了塑性变形能力。

这就是马氏体具有高硬度的主要原因。显然，含碳量愈高，这种畸变程度愈大，则硬度也愈高。不同含碳量的钢在淬火后，硬度值与马氏体量及其含碳量间在很大范围内有良好的对应关系(见图1-1)。


钢回火后的硬度取决于回火温度及保温时间。回火温度愈高，保温时间愈长，硬度愈低。因此可以利用硬度试验研究钢的相变和作为检验钢铁热处理效应的手段。
金属的硬度随冷加工变形程度的增大而提高，又随退火而使材料发生恢复再结晶的程度的增加而降低。时效强化型合金的硬度与采用的各种热处理工艺所引起的组织变化有关。如可强化铝合金的热处理工艺与硬度的关系见图 1-2

对某一种具体工艺方法，可通过硬度试验，研究其工艺参数的改变引起组织与性能变化的规律。图1-3 是以3A21(LF21)防锈铝合金为例。该种合金制品退火时，极易产生粗大晶粒，致使合金半制品在深冲或成型时，表面粗糙或出现裂纹。
实验证明，这是由于铸锭中铺在晶内偏析所造成,采取合适的均匀化处理温度可以得到改善。通过图1-3可以看出，采用610℃均匀化退火，可以消除枝晶偏析，得到均匀的硬度，从而保证产品品质。温度过高如用640℃均化退火，由于从 a(Al)中析出的 MnAl等化合物又重新溶解，晶内成分不均匀再度出现，显微硬度的分布又不均分。


在研究金属焊接结构时，可利用硬度试验法确定焊缝产生淬硬倾向以及热影响区范围。利用表面洛氏和轻负荷维氏硬度等试验法，可测定表面热处理强化效果及硬度梯度表面强化层或渗层的深度。显微硬度试验法是金相分析方法的补充，除开用作测量显微组织中相的硬度外，还有广泛的其他用途。又如，材料在高温或低温下使用，可以通过高温或低温硬度的测定来判断其适用性。总之，硬度试验方法的应用是非常广泛的。

硬度试验方法的特点是：经检测后的制件不被破坏，留在制件表面上的痕迹很小，在大多数情况下对制件使用无影响，可视为无损检验。对于重要的产品可以逐个进行检查，如些热处理后的模具、工具，工艺文件上都仅要求作硬度检测。

硬度检测设备简单，易于掌握、不仅可以在固定的仪器上进行，而且还有便式的小型硬度计，在生产线或特大件上进行检测。

硬度检测有很高的工作效率，如洛氏硬度测定在同类的零上一小时可测得 120 个以上数据。自动洛氏测定，每小时可达 1000 次。

在我国机械制造工业中，硬度检测法常用于最终热处理效应检查，实际上，硬度检测法在工艺管理和生产过程中进行质量控制也是非常重要的一种了段。如对未经热处理的一些制件，为避免混料，错料，应进行硬度检测。在加工过程中，为避免切削或磨削加工量过大而引起退火造成性能改变，亦应用硬度检测加以监管。因此,科学合理地应用硬度检测方法，很值得重视。

由于金属硬度与强度之间有一定的对应关系，使硬度检测具有更广泛的实用意义。

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三、常用硬度试验方法的分类
自1722 年需奥姆尔( Heaumvr)首先应用了矿物对金属进行刻划的初始硬度试验以来，人们提出过几百种测量金属硬度的方法。除开常用的布氏、洛氏、维氏等外，还有钻孔法、磨料法以及摇摆硬度试验法等。

通过在工业生产、科学实验中的应用与考验，有些方法逐渐被淘汰，有些则应用较少，而有些方法因为使用方便、测试准确而得到了广泛的应用。

常用金属硬度试验方法一般有如下分类:
1.按试验力施加速度分类
(1)静力试验法：施加试验力时是缓慢而无冲击的。硬度的测定主要决定于被测试样长面压痕的状况，即压痕的深度、压痕投影面积或压痕凹印面积的大小。这包括所有的静力压入法，如常用的布氏、洛氏、维氏、努普硬度试验法等。
(2)力试验法 施加试验力点是动和具有冲击性括肖击和弹簧加力试验法等。

2.按试验力的大小分类
1)、宏观硬度试验法。试验力≥4903 N(5 kgl);
2)、小负荷硬度试验法。试验力 1.961 N ~49.03 N(0.2 5 kgf)；
3)、显微硬度试验法。试验力 0.009 8 N-1.96 N(0.001~02 kg);
4)、超显微硬度试验法。试验力 <0.009 8 N( <0.001 kg);
5)、纳米级使度试验法。试验力<50 nN

3.按试验分类
1)、常温硬度试验法。在温下进行;
2)、低温硬度试验法。在0度以下某一特定温度下进行;
3)、高温硬度试验法。在室温以上某一特定温度下进行。

4.按试验原理分类可分为：布氏、洛氏、维氏、肖氏、里氏、努普、韦氏、巴氏、邵氏和划痕、锉刀以及其他物理检测方法，如超声波、磁矫顽力、磁导率，等等。