1 引言

在工程領域，材料的硬度對結構件能否長期發揮穩定性能至關重要。材料在外界物體的沖擊下，表面對形變的抵抗能力，是各類材料軟硬的指標。一般而言，材料表面局部范圍內抵抗硬物壓入其表面的能力稱為硬度。由於規定瞭不同的測試方法，所以有不同的硬度標準。在此，我們簡要介紹瞭各種硬度標準的力學含義，並重點介紹瞭顯微硬度的測試原理及應用，以饗讀者。

2 硬度的類型

硬度是衡量材料軟硬程度的一種力學性能。在力學定義中，硬度是指材料抵抗表面局部形變的能力—即抵抗更硬物體壓入其表面的能力。硬度更直觀的感受體現在物體表面的塑性變形、壓痕或劃痕。硬度值是反應材料硬度大小的重要指標，常見的硬度測量的標準有佈氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）和維氏硬度（HV）。

2.1 佈氏硬度

佈氏硬度最早是由瑞典工程師J．A．佈裡涅耳於1900年提出的，被被廣泛應用於機械和冶金工業研究。如圖1所示，佈氏硬度的測量標準是在規定大小的荷載作用下，將直徑為D的鋼球壓入被測物體表面並保持一定時間後，利用荷載力P和壓痕面積F的比值（P/F）來判斷材料硬度大小，用HB表示。測試佈氏硬度時，不同樣品（材質和尺寸）要搭配不同尺寸的鋼珠使用。若要使不同直徑的鋼球在同一材料上測得同樣的硬度，就需要改變載荷值，使壓痕保持幾何相似，相似條件為：P1/D12 = P2/D22。式中P1、P2為荷載力，D1、D2為鋼球直徑。

圖 1 佈氏硬度的測試示意圖

佈氏硬度測定法的適用范圍是較軟的材料，如有色金屬結構件和退火後的鋼板，最高的硬度測量上限為HB450。這是因為太硬的材料會使鋼珠變形，反而測不準。為瞭在測定時得到清晰的壓痕，試樣必須經過表面準備和打磨等處理。在制作完畢的機械零件上作佈氏硬度測定會由於壓痕過大影響零件的正常裝配和使用性能。因此，佈氏硬度測定法不適於檢測大批量生產的零件。常見的佈氏硬度測量規范總結在表1中。

2.2 洛氏硬度

洛氏硬度是美國的S．P．洛克韋爾於1919年提出的，是以壓痕塑性變形深度來確定硬度值的指標。它是以直徑為1.588 mm的瘁火鋼球或頂角為120的金剛石圓錐壓人試樣表面後留下的深度來確定材料的硬度值，用HR表示。其測量原理如圖2所示，首先，樣品在預載荷P0（98.1N）的作用下壓入試件深度為h0的位置。h0包括預載所引起的彈性形變和塑性變形。其次，給樣品施加主載荷P1，壓頭在總載荷（P0+P1）的作用下壓入試件。最後，去除主載荷P1並保持P0，記錄此時的壓入深度h1。由於此時主載荷P1引起的彈性形變被消除，那麼h0和h1之間的差值h（h=h1-h0）即為主載荷P1引起的塑性變形深度。h越大，試樣越軟；h越小，則試樣越硬。

表1 佈氏硬度的測試規范圖 2 洛氏硬度的測試示意圖 表2 洛氏硬度的測試規范

洛氏硬度試驗的優點是操作迅速、簡便，可由表盤上直接讀出硬度值。由於載荷很小，故可復量較薄工件的硬度。其缺點是精度較差，硬度值波動較大，通常應在試樣不同部位測量數次，取平均值為該材料的硬度值。常見的硬度測量規范總結在表2中。

2.3 維氏硬度

維氏硬度試驗方法最早是英國史密斯（R.L.Smith）和塞德蘭德（C.E.Sandland）於1925年提出的。其測試原理與佈氏硬度相似，都是利用載荷和壓痕面積之間的關系來確定材料的硬度值，用HV表示。二者的區別在於施加到試件表面的壓頭不同，維氏硬度試驗采用的壓頭是金剛石的四正棱錐柱體。如圖3所示，試驗時，在一定載荷的作用下，試樣表面上壓出一個四方錐形的壓痕，測量壓痕對角線長度d，計算壓痕的表面積F，載荷P除以壓痕面積F的數值就是試樣的硬度，用符號HV表示。

HV=P/F，F=d2/2sin68°

維氏硬度的優點在於測量范圍廣，幾乎可以測量工業上所用到的全部金屬材料，從很軟的材料（幾個維氏硬度）到很硬的材料（3000個維氏硬度）都可測量。但維氏硬度需要測量對角線的長度，然後通過計算或查表才能得到硬度值，較為繁瑣。

圖 3 維氏硬度測量壓頭及壓痕

3 顯微硬度測試法

顯微硬度是金相分析中常用的測試手段之一。它的測試是在維氏硬度的基礎上發展起來的，也是利用單位壓痕面積上所承受的載荷來表示材料的硬度值。由於顯微硬度的壓頭尺寸和施加載荷較小，最終留在試樣上的壓痕尺度極小（一般幾微米到幾十微米），因此壓痕面積的測量必須在顯微鏡下進行，所以稱這種方法為顯微硬度測試法。

顯微硬度計主要是由升降系統、工作臺、加荷系統、光學系統、電子系統和外殼體組成（圖4）。加荷系統中的壓頭是顯微硬度儀的核心部件，它是鑲嵌在壓頭頂尖的極小金剛石錐體，按照壓頭的形狀可分為維氏（圖5）壓頭和努普（圖6）型壓頭。前者是和維氏硬度壓頭一樣的金剛石正四棱柱壓頭，這種壓頭留在試樣表面的壓痕長短對角線相等；後者是使用的金剛石壓頭是對面角分別為172°30’和130°的四角棱錐，它在試樣表面留下的壓痕是菱形，長短對角線比值為7.11：1。

圖 4 上海鉅晶公司生產的數顯顯微硬度計

不管是哪種壓頭，顯微硬度的測量值都是按下式計算：

HV=常數×實驗力/壓痕表面積

對於對角面均為136°的維氏壓頭，HV=0.1891·F/d2，其中F和d分別為載荷和壓痕對角線長度；

對於對角面為172°30’和130°的努普氏壓頭，HK=139.54·P/L2,其中P和L分別為載荷和壓痕對角線長度。

圖 5 顯微硬度用維氏金剛石壓頭圖 6 顯微硬度用努普氏金剛石壓頭

3.1 顯微硬度試驗的優缺點

優點：顯微硬度試驗是一種真正的非破壞性試驗，其得到的壓痕小，壓入深度淺，在試件表面留下的痕跡可忽略，因而適用於各種零件及成品的硬度試驗；兼容性強，可對脆性材料或零件進行硬度測試，不易產生碎裂；得到的結構信息豐富，通過對試件進行縱深硬度測試，以判定電鍍、氮化、氧化或滲碳層的厚度；測試精度高，所得壓痕為棱形，輪廓清楚，其對角線長度的測量精度高。

缺點：試件尺寸不可太大；如要知道材料或零件的硬度，則必須對試件進行多點硬度試驗；對試件的表面質量要求較高，尤其是要求表面粗糙度要在RA0.05以上；對測試環境要求高，尤其是要求有嚴格的防振措施。

3.2 顯微硬度試驗影響因素

1、測量誤差：主要是由載荷測量誤差△F及壓痕測量誤差△2d引起的，其誤差可按下式計算：

△HV= HV（（△F/F）+（△2d/d））

測量誤差屬靜態誤差，操作過程和儀器精度密切相關。

2、試樣的表面狀態：被測試樣的表面狀態直接影響結果的可靠性，測定顯微硬度的試樣與普通金相樣品的制備相同，磨光、拋光時應盡量避免表層微量的塑性變形引起的加工硬化。

3、加載部位：壓痕在被測晶粒上的部位及被測晶粒的厚度對顯微硬度值均有影響。在選擇測量對象時應選取較大截面的晶粒，因為較小截面的晶粒厚度可能較薄，測量結果可能會受晶界或相鄰第二相的影響。

4、試驗載荷：為保證測量的準確度，試驗載荷在原則上應盡可能大，且壓痕大小必須與晶粒大小成一定比例，在測定軟基體上硬質點時，被測點截面直徑必須4倍於壓痕對角線長，否則將可能得到不準確的測量數據。此外測定脆性相時，高載荷可能出現“壓碎”現象，從而使得到的硬度值不準確。

5、載荷施加速度及保持時間：硬度定義中的載荷是指靜態的含義，但實際上一切硬度試驗中載荷都是動態，是以一定的速度施加在試樣上，由於慣性的作用，加荷機構會產生一個附加載荷，這會使硬度值偏低，為瞭消除這個附加載荷的影響，在施加載荷時應以盡可能平穩、緩慢的速度進行。

塑性變形是一個過程，完成這個過程需要一定的時間，隻有載荷保持足夠的時間，由壓痕對角線長度所測出的顯微硬度值才更接近於材料的真實硬度值。

3.3 顯微硬度試驗的應用

顯微硬度試驗不僅用於對金屬材料的測定，同時也可對非金屬材料進行測定。既可以作為工藝檢驗的手段，同時也是是金相組織研究和材料科學研究方面不可缺少的技術指導。其常見的應用領域如下：

1．用於工藝檢驗。主要測定小件、薄件、成品、半成品以及零件特殊部位的硬度，如軸尖、薄片、刀刃等；

2．用於金相學和金屬物理學方面。通過對壓痕形狀的觀察可以研究金屬各組成相的塑性和脆性。輔助分析金屬結構、組成以及晶體特性；

3．用於材料科學方面。研究新合成材料組成成分之特性，如不同溫度下或不同工藝處理後（氮化、氧化、碳化）材料的特性；

4．對非金屬材料的測定。如對玻璃、瑪瑙、磨料、礦物、陶瓷器以及其他一些脆性結構件硬度的測定。這是其他硬度試驗法難以解決的測定項目。

5. 晶粒內部不均勻性的研究。由於顯微硬度對化學成分不均勻的相具有較敏感的鑒定能力，故常用於研究分析晶粒內部的不均勻性。如通過合金中固溶體枝晶偏析的測定，得到晶粒不均勻與成分、狀態間的關系，進而為控制消除偏析提供數據。

參考文獻：

1. 樊新民主編．表面處理工實用技術手冊．南京：江蘇科學技術出版社 ， 2003.06 ：554~555

2. 蕭澤新，陳奕高編著．現代金相顯微分析及儀器．西安：西安電子科技大學出版社，2015.05：121~122

3. 蔡宏偉主編．金屬材料金相檢驗． 北京：科學普及出版社，2015.02 ：86~90

4. Li H, Bradt R C. The microhardness indentation load/size effect in rutile and cassiterite single crystals[J]. Journal of Materials Science, 1993, 28(4): 917-926.

5. Li H, Bradt R C. The microhardness indentation load/size effect in rutile and cassiterite single crystals[J]. Journal of Materials Science, 1993, 28(4): 917-926.

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