材料硬度测量方法解析：抗变形、压痕与划痕硬度的工程应用

材料硬度测量方法解析：抗变形、压痕与划痕硬度的工程应用

概括：

材料的硬度是一个不清楚的术语，其含义取决于相关人员的经验。通常，硬度通常意味着对变形的抗性，对于金属，其特性是其对永久性或塑性变形的抗性的量度。

根据测试方法，有三种常规的硬度测量类型。这些都是：

材料的硬度是一个不清楚的术语，其含义取决于相关人员的经验。通常，硬度通常意味着对变形的抗性，对于金属，其特性是其对永久性或塑性变形的抗性的量度。对于那些关心材料测试力学的人来说，硬度最有可能意味着压痕耐受性，而对于设计工程师来说，硬度通常意味着易于测量和处方量，表明金属的强度和热处理。

根据测试方法，有三种常规的硬度测量类型。这些都是：

对于金属而言，仅缩进硬度是主要的工程重点。

划痕硬度是矿物学家的主要兴趣。通过这种硬度测量，已经评估了各种矿物质和其他材料的刮擦能力。根据MOHS量表测量刮擦硬度。它由10个标准矿物组成，它们通过其刮擦能力而安排。该等级中最柔软的矿物是滑石粉（刮擦硬度为1），而钻石的硬度为10。MOHS硬度级不适合金属，因为间距在高硬度范围内不宽。大多数硬金属的硬度含量为4到8。

在动态硬度测量值中，缩进器通常落在金属表面上，硬度表示为冲击能量。作为动态硬度测试仪的最常见示例，Shore偏振器根据凹痕的回弹高度测量硬度。

硬度JA提出了1900年第一个被广泛接受和标准化的压痕硬度测试。硬度测试涉及将金属表面用直径为10mm的钢球按下3,000千克质量（约29400 N）的金属表面。对于软金属，将负载减小到500千克，以避免过度深层凹痕。对于非常坚硬的金属，使用碳化碳化物球来最大程度地减少压痕头的变形。在标准时间（通常为30 s）期间施加载荷，并在卸下负载后用低功率显微镜测量压痕的直径。应执行凹痕直径的平均值。

硬度值（BHN）用负载除以压痕的表面积表示。它由以下公式表示：

在

p-外部负载，n

D球直径毫米

D-调节直径，毫米

T-识别深度，毫米

应当指出，BHN的单位是MPA。

除非采取预防措施使P/D2恒定（可能在实验上不便），否则BHN通常会随载荷而变化。在一定范围的负载范围内，BHN达到其最大值。因此，不可能覆盖具有单个负载的商用金属中遇到的全部硬度范围。

Brzez印象相对较大的大小可能是平均局部异质性的优势。此外，与其他硬度测试相比，测试受表面划痕和粗糙度的影响较小。另一方面，大尺寸的压痕可能会阻止在压缩区域使用此测试，在压缩区域可能是一个潜在的故障位置。

迈耶·硬度（Meyer ）迈耶（Meyer）提出，与布林尔（）相比，对硬度的定义更合理，应该基于印象的投射区域而不是表面积。凹痕表面和压痕之间的平均压力等于负载除以压痕的投影面积。迈耶（Meyer）建议将这种平均压力用作硬度的量度。这被称为迈耶·硬度。

像 一样，Meyer 的单位是MPA。与硬度相比，Meyer硬度对所施加的载荷不太敏感。对于冷工作的材料，Meyer硬度基本上是恒定的，不受负载的影响，而硬度随着负载的增加而降低。对于退火金属，由于压痕引起的应变硬化而导致的负荷会连续增加。但是，硬度首先随着负载而增加，然后减少较高的载荷。迈耶硬度是缩进硬度的更基本的衡量标准。但是它很少用于实际硬度测量。

迈耶提出了负载和压痕大小之间的经验关系。这种关系通常被称为迈耶定律。

p = kdn'

参数n'是绘制log p相对于log d的线的斜率，而k是d = 1时p的值。完全退火的金属的n'值为2.5，n'是大约2对于完全应变的金属。该参数与真正应力真实应变曲线的指数方程中的应变硬化系数大致相关。 Mayer定律的指数大约等于应变硬化系数加2。

硬度测试使用方形钻石金字塔作为缩进器。金字塔的相对表面之间的角度为136°。之所以选择此角度，是因为它接近硬度测试中的压痕直径与球直径的理想比率。

由于缩进器的形状，它通常称为钻石 - 金字塔硬度测试。钻石 - 锥体硬度值（DPH）或硬度值（VHN或VPH）定义为负载除以压痕的表面积。实际上，该区域是根据压痕的对角线长度的显微镜测量来计算的。 DPH可以根据以下公式确定：

在

P型负载，公斤

对角线的L平均长度，mmθ-

钻石的相对表面之间的角度= 136°

硬度测试已被研究工作广泛认可，因为它在给定负载下提供了连续的硬度范围，从具有DPH 5的非常柔软的金属到DPH 1,500的材料。 硬度测试在ASTM标准E92-72中描述。

硬度测试最广泛使用的硬度测试是硬度测试。它的总体接受是由于其速度，没有人为错误，可以区分硬化钢的轻微硬度差异和较小的压痕尺寸的能力，因此可以测试完成的热处理零件而不会造成损坏。

该测试在恒定负载下使用压痕深度来测量硬度。首先施加较小的10公斤载荷以放置样品。这可以最大程度地减少所需的表面处理量，并减少缩进器引起的皱纹或沉没的趋势。然后应用主载荷，并以任何硬度值在表盘上自动记录凹痕深度。

拨盘包含100个尺度，每个尺度代表0.00008英寸（0.002毫米）的针。拨号是逆转的，因此与较小的渗透力相对应的高硬度会导致更高的硬度值。这与上面提到的其他硬度值一致，但是与和 （在MPA中）的名称不同，硬度值纯粹是任意的。

使用60、100和150公斤的主载荷。由于硬度取决于负载和压痕，因此有必要指定所使用的组合。这是由硬度，数字之前完成的，该数字代表了使用的硬度量表的负载和压痕头的特定组合。没有字母前缀的硬度值是毫无意义的。

用钻石凹痕和150千克的主负荷在C尺度上测试了硬化钢。该量表的有用范围是从RC 20到RC70。较软的材料通常在B尺度上测试，其直径为1/16英寸的球，主载荷为100 kg。秤的范围从RB 0到RB100。 A尺度（钻石穿透器，60公斤的主要负载）为从退火黄铜到胶结碳化物的材料提供了最扩展的硬度尺度。许多其他量表也可以用于特殊目的。

硬度测试是一个非常有用且可重复的测试，只要遵循许多简单的预防措施即可。下面填充的大多数要点也适用于其他硬度测试：

微硬度测试许多冶金问题需要确定很小的区域的硬度。测量渗碳表面的硬度梯度，确定微观结构的各个组件的硬度或检查精致的手表齿轮的硬度可能是典型的问题。出于这些目的，前面提到了刮擦硬度测试，但是发现凹痕硬度测试更有用。全国标准局的坚果头开发，以及低至25 g的可控载荷的Tukon测试人员的引入，使微硬度测试是常规的实验室程序。

螺母凹痕是一种钻石磨成金字塔形状的钻石，产生钻石形的压痕，比长度约为长度和短对角线，因此在变形区域中产生了平面应变状态。 kun硬度值（KHN）是施加的载荷除以压痕的未经备票投影区。

Nutz凹痕头的特殊形状可以比方形凹痕更靠近凹痕，例如，可以测量陡峭的硬度梯度。另一个优点是，对于给定的长对角长度，果酱压痕的深度和面积仅为维克斯压痕的深度和面积的15％，其对角线长度相同。当测量薄层的硬度（例如电镀层），或测试脆性材料的破裂趋势与应力材料的体积成正比时，这一点特别有用。

高温下的硬度为开发具有改善高温强度的合金的巨大努力加速了对高温下金属硬度的兴趣。热硬度表明合金在高温强度应用中的潜在使用。

当在不同温度下广泛审查硬度数据时，表明硬度的温度依赖性可以表示为

h = ae-bt

在

h =硬度，kg/mm2

T =测试温度，K

a，b常数

对于纯属金属，log H与温度的图通常会产生两条带有不同斜率的直线。斜率的变化发生在测量金属熔点温度的一半。在拉伸强度与温度的对数图中可以找到类似的行为。上图显示了铜的这种行为。坡度的这种变化可能是由于高温下变形机制的变化所致。

从曲线的低温分支衍生的常数A可以将其视为金属的固有硬度，即在0 K处。不同金属的A值与液体金属的热含量相关。熔点和熔点。这种相关对晶体结构很敏感。

曲线斜率衍生的常数B是硬度的温度系数。随着温度升高，该常数与热含量的变化速率相关。使用这些相关性，可以很好地计算出纯属金属的硬度和温度之间的功能关系，直到温度达到其熔点的一半。