硬度測試

硬度測試是檢測材料性能的重要指標之一，也是最快速最經濟的試驗方法之一。之所以能成為力學性能試驗的常用方法， 是因為硬度測試能反映出材料在化學成分、組織結構和處理工藝上的差異。常被作為監督手段應用於各行各業。例如在鋼鐵材料中，當馬氏體形成時，由於溶入過飽和的碳原子而增大了晶格畸變，增加了錯位密度，從而顯著降低了塑性變形能力，這就是馬氏體高硬度的原因。顯然含碳量越高這種畸變程度就越大，則硬度也越高，不同含碳量的鋼在淬火後，硬度值與馬氏體量及其含碳量間在很大範圍內有很好的對應關係，淬火鋼回火後的硬度取決於回火温度及保温時間。回火温度越高，保温時間越長，硬度越低。因此可以利用硬度試驗來研究鋼的相變和作為檢測鋼鐵熱處理效應的手段。

將壓頭（金剛石圓錐、鋼球或硬質合金球）分兩個步驟壓入試樣表面，經規定保持時間後，卸除主試驗力，測量在初試驗力下的殘餘壓痕深度h，根據h值及常數N和S計算洛氏硬度。 ^[1] 

洛氏硬度=N-h/S；

初始試驗力-------試驗時預加載試驗力。

主試驗力-------使測量樣品產生殘餘壓痕的加載。

總試驗力-------初始試驗力加上主試驗力。

洛氏硬度應選擇在較小的温度變化範圍內進行，因為温度變化可能會對試驗結果有影響。所以試驗一般規定在10～35℃的室温進行。試樣應平穩地放置在剛性支承物上，並使壓頭軸線與試樣表面垂直。避免試樣產生位移。使壓頭與試樣表面接觸，在無衝擊和振動的情況下施加試驗力，初試驗力保持不應超過3秒。將測在不小於1s且不大於8s的時間內，從初試驗力增加到總試驗力，並保持4s±2s，然後卸除主試驗力，保持初試驗力，經過短暫穩定後，進行讀數。為了讀數準確，在試驗過程中，硬度計應避免受到任何衝擊和震動。

在多處取值時，兩相鄰壓痕中心間距離至少應為壓痕直徑的 4倍，但不得小於2mm。任一壓痕中心距試樣邊緣距離至少應為壓痕直徑的2.5倍， 但不得小於1mm。

對一定直徑的硬質合金球施加試驗力壓入試樣表面，經規定保持時間後，卸除試驗力，測量試樣表面壓痕的直徑。布氏硬度與試驗力除以壓痕表面積的商成正比。壓痕被看作是具有一定半徑的球形，其半徑是壓頭球直徑的二分之一。

試驗力——試驗時所用的負載。

壓痕平均直徑——兩相互垂直方向測量的壓痕直徑的算術平均值。

球直徑——壓頭中硬質合金球的直徑。

一般試驗在10～35℃的室温進行即可，如果有對温度要求嚴格的試驗（視乎材料對温度的敏感性），試驗温度應為23℃±5℃。

試驗力的選擇應保證壓痕直徑在0.24D～0.6D之間。試驗力－壓頭球直徑的平方的比率鞋（1.02F/D2比值）應根據材料和硬度值選擇。

為了保證在儘可能大的有代表性的試樣區域試驗，應儘可能選取大直徑的壓頭；當試樣尺寸允許時，應優先使用直徑為10mm的球壓頭進行試驗。

使壓頭與試樣表面垂直接觸，垂直於試驗面施加試驗力，加力過程中不應有衝擊和震動，直至將試驗力施加至規定值。

試驗力保持時間為10～15秒。對特殊材料，試驗力保持時間可以延長，但誤差應在±2秒。

任一壓痕中心距試樣邊緣距離，至少為壓痕平均直徑的2.5倍。相鄰壓痕中心間的距離至少為壓痕直徑的3倍。應在兩相互垂直方向測量壓痕直徑，用兩個讀數的平均值計算布氏硬度。（或按GB/T 231.4查得布氏硬度值）

布氏硬度試驗範圍上限不大於650HBW 。

將頂部兩相對面具有規定角度的正四稜錐體金剛石壓頭用試驗力壓入試樣表面，保持規定時間後，卸除試驗力，測量試樣表面壓痕對角線長。維氏硬度值是試驗力除以壓痕表面積所得的商，壓痕被視為具有正方形基面並與壓頭角度相同的理想形狀。 ^[2] 

試驗力------試驗時所用的負載。

壓痕對角線------卸載後，壓頭在被測樣品表面留下的方形或菱形壓痕的對角線。

壓頭夾角------壓頭頂部兩相對面的夾角。

試驗一般在10～35℃的室温進行。對温度要求嚴格的試驗，試驗温度應為23℃±5℃。根據試樣厚度和硬度選擇試驗力。使壓頭與試樣表面垂直接觸，垂直於試驗面施加試驗力，加力過程中不應有衝擊和震動，直至將試驗力施加至規定值。試驗力保持時間為10～15秒。對特殊材料，試驗力保持時間可以延長，直至試樣不再發生塑性變形，但誤差應在±2秒。應測量壓痕兩條對角線長度，用其算術平均值或通過查表得到硬度值。放大系統應能將對角線放大到視場的25%～75%。

試驗力——試驗時所用的負載。

壓痕對角線——卸載後，壓頭在被測樣品表面留下的方形或菱形壓痕的對角線。

壓頭夾角——壓頭頂部兩相對面的夾角。

試驗一般在10～35℃的室温進行。對温度要求嚴格的試驗，試驗温度應為23℃±5℃。根據試樣厚度和硬度選擇試驗力。使壓頭與試樣表面垂直接觸，垂直於試驗面施加試驗力，加力過程中不應有衝擊和震動，直至將試驗力施加至規定值。保持試驗力的時間為10～15秒。對特殊材料，試驗力保持時間可以延長，但誤差應在±2秒。

測量工作使用的儀器設備很多，每種儀器設備在使用時都有許多不利因素影響其測量值的準確性。本文僅對兩種常規儀器洛氏硬度計、布氏硬度計)在使用時，容易被檢測人員忽略的一些較常見的影響因素進行針對性分析，並提出瞭解決辦法。

我們知道，用台式 超級恆温水浴測量布氏硬度時，其壓頭是鋼球壓頭，在一定的壓力下壓入被測表面而得到一個圓形壓痕，再用讀數顯微鏡測量圓形壓痕的直徑，然後在布氏硬度表中查找相應的硬度值，即被測試樣的硬度值，而被測表面的粗糙度直接影響硬度測量值的準確性。當被測表面粗糙度值大於Ra=0.8μm時，隨着粗糙度值的增大，被測表面對壓頭的抗力愈小，其塑性變形愈大，圓形壓痕就愈大，相應的硬度值也就愈小，致使測量值偏低於其真實值。試驗證明，測量偏差在10HB以上(注：用台式硬度計測量洛氏硬度時，粗糙度的影響較小，本文就不進行分析了)。

當我們用便攜式微電腦超聲硬度計測量硬度時，粗糙度的影響較用台式硬度計就更大了。當被測表面粗糙度值大於Ra=0.8μm時，隨着粗糙度值的增大，硬度計的金剛石角錐體壓頭與被測表面的接觸面積就會增大。這種接觸包括壓痕接觸和非壓痕接觸。

壓痕接觸即壓頭自身壓入被測表面後壓頭與壓痕的接觸，接觸面積也是極微小的；而非壓痕接觸是指硬度計壓頭的錐面與被測表面輪廓峯斜面的接觸。非壓痕接觸對硬度測量是不利的。因為，微電腦超聲硬度計工作原理是藉助於杆的超聲振動測量硬度的。在均勻的接觸壓力下，使杆的諧振頻率隨試樣的硬度高低而改變。若試樣的硬度愈低，壓痕接觸面積愈大，被測表面對傳感器杆壓頭的阻尼愈大，傳感器杆壓頭振動幅度就愈小，諧振頻率也就愈高。也就是説， 恆温水箱壓痕接觸面積愈大，超聲硬度計的示值愈低。而非壓痕接觸大大地增加了壓頭與被測表面的接觸面積，致使示值偏低於真實值。試驗證明，洛氏硬度測量偏差在10HRC左右；布氏硬度測量偏差在20HB左右。

解決辦法：在測量試樣硬度時，我們必須注意被測表面粗糙度是否符合的檢測條件。在正常使用的條件下，必須保證試樣的被測表面粗糙度值小於或等於Ra=0.8μm，若試樣的被測表面粗糙度值大於Ra=0.8μm，可以通過機械方法(上磨牀)或手工方法，對被測表面進行研磨修整，使試樣的被測表面粗糙度達到檢側條件。將粗糙度影響程度降到最低，這樣我們才能獲得準確的測量值。

擠壓層即經車牀精車加工出來的試件表面上的一層薄薄的硬層。試件在被精車加工時，車刀同時對試件表面有一個擠壓(滾壓)作用，使精車面表層的金屬晶粒變形細化，較試件深層的金屬晶粒更細密，從而產生了一層薄薄的硬層。硬層厚度一般在0.3毫米左右。這一硬層致使硬度測量值偏高於真空值，對用台式硬度計和微電腦超聲硬度計測量硬度的準確性有不同程度的影響。

當我們用台式硬度計測量洛氏硬度時，硬度計壓頭是金剛石錐體，壓頭(錐頂直徑為0.4毫米)與被測表面的接觸面積較小。加載時，壓頭很容易穿透擠壓層，因此硬度的測量偏差較小。試驗證明，測量偏差一般在5HRC以內。用台式硬度計測量布氏硬度時，硬度計壓頭是鋼球壓頭，壓頭與被測表面的接觸面積較大。加載時，壓頭必須克服擠壓層的較大阻力才能壓入被測表面，這就使壓頭的壓入量不夠，所壓得的圓形壓痕也隨之變小，致使相應的硬度值偏高於其真實值。而且硬度的測量偏差較大。試驗證明，硬度的測量偏差在20HB左右。另外，無論測量洛氏硬度還是布氏硬度，隨着試件自身硬度的增大，硬度的測量偏差就會減小。

擠壓層對用微電腦超聲<硬度計</A>測量硬度的準確性影響最大。用超聲硬度計測量硬度對試件的損傷極小，基本是無損檢測。在10N試驗負荷下，壓痕深度一般在4μm至50μm左右。而擠壓層的厚度一般在0.3毫米左右。因此，超聲硬度計的角錐體壓頭根本不能穿透擠壓層，測得的硬度值僅是擠壓層的硬度，而不是試件本身真實的硬度。擠壓層硬度高出試件真實硬度很多，如果我們忽略了這一不利因素，就會造成了很大的測量偏差。試驗證明，洛氏硬度的測量偏差一般在5-10HRC；布氏硬度的測量偏差一般在幾十個HB解決辦法：如果我們在檢測過程中，發現精車的試件，在測量其硬度前，必須把被測表面測量位置的擠壓層處理掉；也可以把整個被測表面的擠壓層處理掉。可以通過機械方法(上磨牀)或手工方法去掉擠壓層。還要強調一點，如果我們用手工方法處理擠壓層，被測表面粗糙度有可能被破壞。如果這樣，還必須對被測表面進行研磨修整，使試件的被測表面粗糙度達到檢測條件。這樣我們才能獲得真實可靠的測量值。

1. GB/T231.1-2009《金屬布氏硬度試驗 第1部分：實驗方法》

2. GB/T231.2-2009《金屬布氏硬度試驗 第2部分：硬度計的檢驗與校準》

3. GB/T231.3-2009《金屬布氏硬度試驗 第3部分：標準硬度塊的標定》

4. JJG150-2005《金屬布氏硬度計檢定規程》

5. JJG147-2005《標準金屬布氏硬度塊檢定規程》

6. GB/T230.1-2003 《金屬洛氏硬度試驗 第1部分：試驗方法(A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T標尺)》

7. GB/T230.2-2002 《金屬洛氏硬度試驗 第2部分：硬度計(A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T標尺)的檢驗與校準》

8. GB/T230.3-2002 《金屬洛氏硬度試驗 第3部分：標準硬度塊(A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T標尺)的標定》

9. JJG112-2003 《金屬洛氏硬度計(A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T標尺)檢定規程》

10. GB/T4340.1-1999 《金屬維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》

11. GB/T4340.2-1999 《金屬維氏硬度試驗 第2部分：硬度計的檢驗》

12. GB/T4340.3-1999 《金屬維氏硬度試驗 第3部分：標準硬度塊的標定》

13. JB/T 9329-1999 《儀器儀表運輸、運輸貯存基本環境條件及試驗方法》

14. JJF1059《測量不確定度評定與表示(JJF 1059 Guide to the expression of uncertainty measurement ,ISO)》

15. GB/T13634 《試驗機檢驗用測力儀的校準》

16. GB/ T2611-1992 《試驗機通用技術要求》

17. JJG144-1992 《標準測力儀檢定規程》

GB/T 4341-2001 金屬肖氏硬度試驗方法 2002-05-01實施,代替GB/T 4341-1984

GB/T 9966.5-2001 天然飾面石材試驗方法第5部分:肖氏硬度試驗方法 2002-08-01實施,代替GB/T 9966.5-1988

GB/T 231.2-2002 金屬布氏硬度試驗第2部分:硬度計的檢驗與校準 2003-05-01實施,代替GB/T 6269-1997

GB/T 231.3-2002 金屬布氏硬度試驗第3部分:標準硬度塊的標定 2003-05-01實施,代替GB/T 6270-1997

GB/T 17394-1998 金屬里氏硬度試驗方法 1998-12-01實施

GB/T 18449.2-2001 金屬努氏硬度試驗第2部分:硬度計的檢驗 2002-05-01實施

GB/T 18449.3-2001 金屬努氏硬度試驗第3部分:標準硬度塊的標定 2002-05-01實施

GB/T 3854-2005 增強塑料巴柯爾硬度試驗方法 2005-12-01實施,代替GB/T 3854-1983

GB/T 5766-2007 摩擦材料洛氏硬度試驗方法 2008-06-01實施,代替GB/T 5766-1996

GB/T 2654-2008 焊接接頭硬度試驗方法 2008-09-01實施,代替GB/T 2654-1989

GB/T 531.1-2008 硫化橡膠或熱塑性橡膠壓入硬度試驗方法第1部分：邵氏硬度計法（邵爾硬度） 2008-12-01實施

GB/T 13313-2008 軋輥肖氏、里氏硬度試驗方法 2009-05-01實施,代替GB/T 13313-1991

GB/T 1941-2009 木材硬度試驗方法 2009-08-01實施,代替GB/T 1941-1991

GB/T 4909.8-2009 裸電線試驗方法第8部分：硬度試驗布氏法 2009-12-01實施

GB/T 531.2-2009 硫化橡膠或熱塑性橡膠壓入硬度試驗方法第2部分：便攜式橡膠國際硬度計法 2009-12-01實施,代替GB/T 531-1999

GB/T 16534-2009 精細陶瓷室温硬度試驗方法 2009-12-01實施,代替GB/T 16534-1996

GB/T 231.4-2009 金屬材料布氏硬度試驗第4部分：硬度值表 2010-04-01實施

GB/T 230.1-2009 金屬材料洛氏硬度試驗第1部分：試驗方法（A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T標尺） 2010-04-01實施,代替GB/T 230.1-2004

GB/T 18449.4-2009 金屬材料努氏硬度試驗第4部分：硬度值表 2010-04-01實施

GB/T 4340.4-2009 金屬材料維氏硬度試驗第4部分：硬度值表 2010-04-01實施

GB/T 18449.1-2009 金屬材料努氏硬度試驗第1部分：試驗方法 2010-04-01實施,代替GB/T 18449.1-2001

GB/T 24523-2009 金屬材料快速壓痕（布氏）硬度試驗方法 2010-05-01實施

GB/T 7997-1987 硬質合金維氏硬度試驗方法 1988-03-01實施

GB/T 3849.2-2010 硬質合金洛氏硬度試驗（A標尺）第2部分：標準試塊的製備和校準 2011-11-01實施

GB/T 27552-2011 金屬材料焊縫破壞性試驗焊接接頭顯微硬度試驗

GB/T 9790-1988 金屬覆蓋層及其他有關覆蓋層維氏和努氏顯微硬度試驗 1989-09-01實施

^[3] 

18. ISO6506-1:1999,Metallic materials—Brinell hardness test—Part 1:Test method

19. ISO6506-2:1999,Metallic materials—Brinell hardness test—Part 2:Verification and calibration of testing machines

20. ISO6506-3:1999,Metallic materials—Brinell hardness test—Part 3:Calibration of reference blocks

21. ISO6507-1:1997,Metallic materials—Vickers hardness test—Part 1:Test method

22. ISO6507-2:1997,Metallic materials—Vickers hardness test—Part 2:Verification and calibration of testing machines

23. ISO6507-3:1997,Metallic materials—Vickers hardness test—Part 3:Calibration of reference blocks

24. ISO6508-1:1999,Metallic materials—Rockwell hardness test—Part 1:Test method(sacles A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T)

25. ISO6508-2:1999,Metallic materials—Rockwell hardness test—Part 2:Verification and calibration of testing machines(sacles A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T)

26. ISO6508-3:1999,Metallic materials—Rockwell hardness test—Part 3:Calibration of reference blocks(sacles A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T)

27. ASTM E10 Test method for Brinell hardness of Metallic materials

28. ASTM E18-03 Test methods for Rockwell hardness and Rockwell Superficial hardness of Metallic materials

29. ASTM E92 Test method for Vickers hardness of Metallic materials

橡膠、塑料及精細化學品做理化性能檢測時，均可做硬度測試。具體來看，根據產品的應用領域的不同而各有差異，可以提供的測試領域細分如下：

塑料製品測試領域包含： 樹脂原料、塑料薄膜、塑料管材、塑料建材、塑料容器、塑料外殼、塑料玩具、電線電纜護套絕緣、塑料異型材。

橡膠製品測試領域包含： 生膠、輪胎、護舷、密封圈、軟管、電線電纜護套絕緣、橡膠玩具、傳送帶、快消品。

精細化學品測試領域包含：塗料、膠粘劑、金屬加工助劑、各類清洗劑等。