关于金属硬度的测量试验

【摘 要】维氏硬度是金属硬度的一种，因此它可以作为衡量金属硬度的标准。本文讲述了硬度试验在不同的实验环境下得出的不同实验结果，得出试验过程中的应该注意的事项。

【关键词】金属；硬度；试验

1 前言

硬度是一种材料某一部分反抗硬物压入其表面的能力。固体材料的这种能力用来作为比较各种材料软硬的标准。因为每种材料的测量方法不同，所以根据不同的材料要求制定了不同的硬度标准。硬度试验是应用非常广泛的力学性能试验方法。由于其试验设备简单，操作简便迅速，可以敏感地反应出材料的化学成分、组织结构的差异，因而被广泛用来检查钢铁产品质量和监视热处理工艺制度。

硬度试验分为压入法和刻划法两种试验方法。压入法包括静态力试验和动态力试验，其中以静态力硬度试验方法最为普遍。而维氏硬度试验方法是静态硬度测量中最精确的一种，这种方法可测定的硬度范围较宽，可以测量目前使用的绝大部分金属材料硬度。维氏硬度试验是将顶部两相对面具有规定角度（136°）的正四棱锥体金刚石压头用一定试验力压入试样表面，保持规定时间后，卸除试验力，测量试样表面压痕对角线长度。

2 维氏硬度的试验条件

2.1 试样要求

（1）试样的试验面必须精细制备，一般为光滑平面，不应有氧化皮及外来污物。在试样制备过程中，应尽量避免因受热、冷作硬化对试样表面硬度的影响。

（2）试验面粗糙度必须保证压痕对角线能精确测量，Ra一般应小于0.2Lm。

（3）被测试的样品的厚度应≥压痕对角线平均长度的1.5倍。完成实验后，样品的背部不能出现变形。

（4）保证样品的实验面与支撑面之间角度≤20。

（5）样品的实验面保证是平面，当然也可以测试曲率半径≥5mm的样品，比较结果时要保证同一半径相比较，也可以修改结果后与同平面时测得的硬度值进行比较。

修正表是按压痕对角线平均值d和圆柱或球面直径D之比来制定的。修正的方法是根据d/D值去查相关修正系数，然后将在圆柱或球面上所测得的硬度值乘以修正系数，即得修正后的维氏硬度值。

2.2 试验温度

试验一般在（10～35）0C下进行。对温度有较严要求的试验，应控制在230C左右。若不能满足以上要求，允许有不大的变动，但必须在试验记录中注明。

2.3 试验力的选择

（1）所用的试验力可按试样材料有关技术条件的规定选定。

在暂时还没有相关规定的技术条件下，想要取得具有说服力的硬度值，可以先依据样品的硬度及厚度的大小，在可以的情况下选择大的试验力。但应注意，此时所得的压痕深度必须小于样品厚度的1/10（压痕深度约为对角线长度的1/7）

（2）试验较硬的金属（HV>500）试样时，采用的试验力不易大于50kgf，以免金刚石压头受到损坏。

（3）针对实验时出现的齿轮表面渗漏问题，我们可以通过改变试验力的大小依次进行试验，一直到两组相邻的试验数据接近时，选择二者之中的较小的一级试验力作为试验力。

（4）保护金刚石不被损坏的前提下，先用小的试验力尝试试验，如果测得的硬度值小于500，就要依据样品的厚度，增加试验力再进行试验。

3 试验及其结果

试验时用选用的试验力和试样预期硬度接近的标准硬度块对仪器进行示值校对。试样支撑面、压头表面及试台应清洁。试样应稳固地放置于试台上，保证在试验过程中不发生位移和挠曲。应均匀平稳地施加试验力，不得有冲击和震动。

试验力作用方向应与试验面垂直。施加试验力的时间为2～8s。对黑色金属，试验力保持时间一般为10～15s，对有色金属为30s左右。如另有要求，保持时间可延长，其偏差为2s。

两相邻压痕中心线的距离或任一压痕压痕中心距试样边缘的距离，对黑色金属不应小于压痕对角线平均值的2.5倍；对有色金属不应小于压痕对角线平均值的5倍。

卸除试验力后，测量压痕两对角线长度，两对角线长度之差不应超过短对角线长度的2%。各向异性明显的材料可不受此限制，但应符合有关技术条件的规定。若试验时选用的试验力不恰当时，压痕四边会产生一定的弯曲（凸或凹）。弯曲的形状对硬度值有影响：当试样的硬度高而采用的试验力较小时，压痕四边有外凸现象，按此时对角线计算的投影面积比实际的小，故硬度值偏高；相反，压痕四边出现内凹现象，硬度值偏低。针对这两种情况，应从新选择试验力进行试验，以保证试验结果的正确性。

一般情况下，每个试样上至少应测3点。

压痕对角线的测量精度应为；当对角线长度≤0.2mm时，允许测量误差为0.001mm；当对角线长度>0.2mm时，允许测量误差为0.5%。

计算出的维氏硬度值≥100时，修约至整数；硬度值≥10、

4 影响试验结果的主要因素

4.1 试验力的大小对试验结果的影响

（1）对匀质材料而言，在任何试验力的作用下，所得的压痕都是几何相似的，理论上说，试验力的选择对维氏硬度值没有影响。然而对于许多软金属，由于在较大的试验力作用下，塑性影响区域较大，使金属材料抵抗压头压入的能力减小，压痕增大，硬度值有随试验力的增加而下降的趋势。

（2）对非匀质的金属材料来说，试验力对维氏硬度的影响就更为明显，其影响的程度主要决定于异质元素的性质、比例和分布。故为了试验结果的重复性和代表性，应选择适当大的试验力进行试验。

（3）当采用小试验力时，由于机械抛光产生加工硬化的原因，使维氏硬度值有偏高的现象，特别是对于低硬度的材料较为明显。随着试验力的增加，维氏硬度值又有微小的下降。总之，采用不同试验力对匀质材料的维氏硬度值影响极小。

4.2 试验力保持时间对试验结果的影响

任何金属材料在试验力的作用下，其变形将随着试验力作用时间的增长而有所增加。不同性质的金属材料，完成变形所需的时间各不相同，软金属的变形过程长，硬金属的变形过程短。这就是软金属的HV值随试验力时间的增长而明显下降的原因。因此，不同的金属材料应选择合理的保持时间，这样才能对试验结果的影响尽可能的小。

保持时间短，试样来不及充分变形，此时维氏硬度示值偏高。

试验力保持时间过长，不但降低试验效率，而且受外来因素的影响使维氏硬度值偏低。对于黑色金属，试验力保持时间一般为10s～35s。有色金属，试验力保持时间一般为30s。

参考文献：

[1]朱祖贤，谭玉明.金属材料机械性能试验.北京：国防工业出版社，1983.

[2]GB/T4340.2金属显微维氏硬度试验方法.北京：中国标准出版社，1991.