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2019.09.23
金属力学性能试验包括硬度、静拉伸、压缩、弯曲、静扭转、剪切、冲击、断裂韧度、疲劳、磨损、高温性能等等试验方法。
这些试验是对有规定尺寸和形状的试样（或工件），在专用实验仪器和设备上，在规定条件下，施加有特定含义的试验载荷，从而使试验结果能够表征材料（或工件）的各种机械性能指标。
金属的硬度没有确切的物理意义，但是它与材料的静强度、疲劳强度存在近似的经验关系，还与冷成型、切削性、焊接性等工业性能也间接存在某些关系。因此，硬度值对于控制材料冷热加工工艺质量有一定的参考意义。硬度还与玻璃、陶瓷等脆性材料的断裂韧度存在一定的经验关系。此外，表面硬度和显微硬度试验可以反映金属表面及其局部范围内的力学行为，因此，可以用于检验材料表面处理的结果或微区组织鉴定。
硬度测试按获得硬度值的方法可以分为压入法、回跳法、划痕法三种。压入法主要有布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、显微维氏硬度及努氏硬度；回跳法有里氏硬度、肖氏硬度；划刻法有莫氏硬度。上述硬度试验方法均在不同的工业生产领域中得到了广泛的应用。
2.1布氏硬度试验原理和规定
布氏硬度试验法是用一定直径的硬质合金压头施加试验力，使其压入试件表面（见图1），在一定范围内，试验力与压痕面积成正比，此比值即可表示为布氏硬度（1-1），可见布氏硬度有点儿类似压应力的概念。
▲图1布氏硬度试验原理示意图
（1-1）
式中HBW——布氏硬度符号（单位MPa或N/mm2），
布氏硬度值一般不标出单位。
F——试验力（N）
0.102——试验力单位由kgf更换为N（牛顿）后需要乘以的常数（即1/9.8）
A凹——表面压痕的凹陷面积（mm2）
D——球形压头的直径（mm）
t——压痕凹陷深度（mm）
在实际测定时，由于测定压痕深度t比较困难，而测定压痕凹陷直径d却比较容易。因此，要将式中t换算成d，这一换算可以从图1中△Oab中看出，即：
（1-2）
龙门式布氏硬度计
台式布氏硬度计
便携式布氏硬度计
冲击式布氏硬度计
上式中只有d是变量，试验时只要测量出d值，或者根据d值，查表即得HBW值。
▼表1金属布氏硬度（HBW）数值表
由于测试零件厚度和材料硬度不同，如果只采用一个标准的试验力，则对钢材和厚工件虽然合适，但对软金属（如铝、锡等）或薄的工件（如厚度＜2mm）就不适合，这时要根据不同材料和工件厚度，选择不同的试验力F和压球直径D的搭配。为了得到统一的、可以比较的HBW值，布氏硬度压痕需要遵守相似法则，保证压痕几何形状相似，也就是说保证压入角φ恒定（见图2）。
图2压痕相似原理图
由图2可知，d=Dsin（φ/2），代入（1-2）可得：
式（1-3）表明，假若压力角φ不变，为了使同一材料不同压力下HBW值相同，则要求试验力-压球直径平方也应保持为常数。
即F1/D12=F2/D22=F1/D12=F3/D32=………=常数。
另外，国标GB/T231.1-2002中规定，只有当压痕直径d满足（0.24~0.6）D时，实验结果才有效。在实际应用中，F/D2由30、15、10、5、2.5、1共6种。根据金属材料和试验厚度不同分别选用（参见表2、表3）。
▼表2不同金属材料的试验力-压头直径平方的比率
▼表3布氏硬度压痕直径与试样最小厚度的关系（单位：mm）
2.2锤击式布氏硬度测试方法
对于大型钢铁件，可采用轻便的锤击式简易布氏硬度计。这种硬度计的构造和使用示意图如图3所示。
图3锤击式简易布氏硬度计
锤击式布氏硬度计
其主要部分为压头球1、锤击杆5及标准杆6（标准布氏硬度块）。测试时，首先估计被测试工件大致硬度值，选择与其硬度值相近的标准杆插入压头球上方的方孔内，然后用手锤敲击硬度计顶部一次，这样，压头球以相等的力同时压入工件和标准杆表面，分别得到工件上的压痕直径d和标准杆上的压痕直径d′。根据式（1-2）可得：
式中D——压头球直径（mm）
d′——标准杆压痕直径（mm）
HBW′——标准杆硬度值
d——工件压痕直径（mm）
HBW——工件硬度值
由于D与HBW′为已知值，只要测得d，d′，即可算出或者查表得到工件的HBW值。详见表4。
▼表4锤击式布氏硬度换算值
表4中标准杆的硬度值为202HBW，如果标准杆硬度值不是202HBW，则需将
表4中查得的硬度数值乘以系数K。K值详见表5。
▼表5锤击式布氏硬度实验的系数K
2.3布氏硬度试验的特点及主要事项
2.3.1特点
布氏硬度的优点是其硬度值代表性全面，数据稳定，测量精度较高。因为其压痕面积较大，能反映金属表面较大范围内各组成相综合平均的性能数值，故特别适用于测定灰铸铁、轴承合金等具有粗大晶粒或较粗大组成相的金属材料。
2.3.2主要事项
为了测试准确性，试验过程中应注意以下事项：
1）试样厚度
试样厚度应大于压痕深度的8倍以上，在压痕相对的一面，不应有影响加载的弧形面等凹陷存在。压痕深度按下式计算：
式中F——试验力（N）
D——压头球直径（mm）
2）试验件表面
平整表面能获得最佳结果。半径小于25.4mm的弧形试验表面不应作试验。
3）压痕间距
为了测量精度，压痕中心到工件任一边沿的距离应大于压痕直径的三倍，相邻压痕的中心间距也应大于压痕直径的三倍。
4）被测工件表面粗糙度
布氏硬度的精度与压痕的清晰度有关，表面应当经过切削、研磨或者抛光。另外为了测量精度，工件表面必须能代表材料本体。表面脱碳或表层硬化层都必须在试验前去除掉。
5）砧座
为了保证实验表面与试验力方向垂直（允许＜2°范围），工件在实验时移动量最少。工件必须正确地放在砧座上。
6）特别说明：用淬火钢做压头球时，布氏硬度表示为HBS，而用硬质合金做压头球时，布氏硬度则表示为HBW。HBS与HBW不是完全相同，在低硬度时两者相差不大，而在高硬度时候，相差很大，实践中应注意区别。
3.1洛氏硬度试验原理和规定
洛氏硬度试验是目前应用最广泛的试验方法，它与布氏硬度不同，不是测试压痕直径表示硬度值，而是测量压痕深度来表示硬度值。它以深度值t表示材料的硬度指标，金属越硬，t值越小；反之，t值越大，金属越软。但是，如果直接将t的大小作为硬度指标，将与人们对硬度高低的习惯认识相悖，为此，选取了一常数K，减去压痕深度，即（K-t）作为硬度值的指标，并规定每0.002mm（也就是2μm）为一个洛氏单位，用符号HR表示，则洛氏硬度值为：
这样便可以在表盘上读取洛氏硬度值。
台式洛氏硬度计
便携式洛氏硬度计1
便携式洛氏硬度计2
为了能在同一硬度计上测定从极软到极硬材料的硬度，采用不同的压头和载荷，组成了15种不同的洛氏硬度标尺（详见表6）。
▼表6各种硬度标尺的试验条件
下面以HRC为例，讲述洛氏硬度试验原理，参见图4。
▲图4洛氏硬度试验过程示意图
为保证压头与式样表面接触良好，试验时首先加一初始试验力（100N），在金属表面得一压痕深度t0，此时旋转表盘使指针指“0”，图4a），这表明压痕深度t0不计入硬度值。然后再加主试验力1400N，压头压入深度为t1，表盘上指针以逆时针方向转动到相应位置，图4b）。当主载荷试验力卸去后，总变形中的弹性变形部分将恢复，压头将回升一段距离（t1-t），图4c），这时金属表面总变形中残留下来的塑形变形部分即为压痕深度t，而表盘上顺时针所指位置，即代表HRC硬度值。
洛氏硬度试验具有以下优点：
（1）因洛氏有不同标尺，压头有硬质、软质多种，可以测出从极软到极硬的材料的硬度，不存在压头变形问题。
（2）压痕小，对工件损伤极其轻微。
（3）操作简单迅速，立刻得出数据。缺点是采用不同的硬度级别测得的硬度去发进行统一比较，不像布氏硬度那样可以根据硬度数值直接比较材料软硬相差程度。此外，因压痕小，对于具有较粗大组织的材料，得数缺乏代表性，因此，粗大组织或者有粗大相组成的材料不宜采用洛氏硬度试验。
3.2几种特殊洛氏硬度试验方法
3.2.1曲面洛氏硬度试验法
采用洛氏硬度试验方法测定曲率半径较大的弯曲面或柱面的硬度时，可能会带来较大误差，需要进行一定的修正（详见表7）。
▼表7曲面零件实测硬度修正表
3.2.2表面洛氏硬度试验法
表6中15N、30N、45N、15T、30T、45T为表面洛氏硬度试验方法，属于轻载荷洛氏硬度试验法，初始试验力为29.42N（3kgf），总试验力为147.1N（15kgf）、294.2N（30kgf）、441.3N（45kgf），并以0.001mm（1μm）压痕深度为一个硬度单位，表盘满刻度100。一般用于测定极薄材料、薄层化学热处理零件、微小零件的表面硬度。
表面洛氏硬度计
3.2.3洛氏硬度试验的主要事项和局限性
1）试样表面的制备
对于1471N（150kgf）试验力的金刚石压头或980.7N（100kgf）试验力的淬火钢球压头，表面精磨已经足够，粗磨也可达到要求，有车加工刀纹的试件，需要将刀纹打磨去除。对于轻载荷（如147.1N（15kgf）试验力），一般磨光或抛光表面。另外，表面缺陷如脱碳、氧化等，应当去除后才可侧得准确值。一般情况下，务必打磨露出金属本体才可以测试准确。
2）压痕间距
量压痕中心间距必须大于倍压痕直径，压痕中心距边沿距离应大于2.5倍压痕直径。
3）试验尺寸和形状
对于特殊形状的工件（如大件、长件、片状件、薄壁体、环形件、管材等等），需要附加支承装置。对于大而笨重的工件必须放在支架或特殊的垫块上，对长试样，应当避免在试样和压头之间产生附加弯曲，而不是单纯的压应力，在测定长试样一端时，另一端应支撑在辅助支架上，不应用手来代替支架。对于圆柱形式的试样应采用v型砧座。
4.1维氏硬度试验
4.1.1维氏硬度试验原理和方法：维氏硬度原理基本上和布氏硬度相同，也是根据单位压痕上所受的实验力计算硬度值。所不同的是维氏硬度采用了锥面夹角为136°的金刚石四棱锥体。由于压入角φ恒定不变，使得试验力改变时，压痕的几何形状相似。因此，在维氏硬度实验中，理论上讲，试验力可以任意选择，而所得的硬度值相同，这是维氏硬度实验的主要优点，也是最大优点。四棱锥面夹角之所以选择136°，是为了所测数据与HBW值能得到最大的接近。因为一般布氏硬度试验时压痕直径d，多半在0.25~0.5D（压球直径）之间，取平均值0.375D，这时布氏硬度的压入角恰好是φ=44°，而136°四棱锥形压痕的压入角也是44°，所以在中低硬度范围内，维氏硬度与布氏硬度值很接近。图6就是维氏硬度实验原理图。
▲图6维氏硬度压头锥面夹角图
此外，采用金刚石方锥后，压痕是一个轮廓清晰的正方形，在测量压痕对角线长度d时，误差小，同时不存在压头变形问题，适应于任何硬度的材料。
维氏硬度以符号用HV表示，其值可表示为：
式中0.102——实验力由kgf更换为N，需要乘以的常数（即1/9.8）
F——实验力（N）
A凹——表面压痕凹陷面积（mm2）
d——压痕对角线长度（mm）
由式1-7可以看出，只要测量出压痕对角线长度d即可求得HV值，HV值亦可通过查表获得，表8为实验力为10kgf时，压痕对角线长度与维氏硬度的对照表。
▼表8压痕对角线长度与维氏硬度值（HV10）对照表
对于某些特殊情况，要求在球面上测试HV时，需要按照表9~表14进行修正。
▼表9凸球面修正系数
▼表10凹球面修正系数
▼表11凹柱面修正系数（对角线与轴线45°）
▼表12凸圆柱面修正系数（对角线与轴线45°）
▼表13凸圆柱面修正系数（对角线平行于轴线）
▼表14凹圆柱面修正系数（对角线平行于轴线）
4.1.2维氏硬度试验力
维氏硬度试验法一般按照GB/T4340.1-xxxx执行试样表面粗糙度Ra应不高于0.2μm，上下面应平行。试样厚度应不小于压痕对角线的1.5倍。
维氏硬度的试验力见表15，常用试验力范围为49.03~980.7N。使用时，应视零件厚度及材料预期硬度，尽可能选用较大实验力，因为实验力大，测量误差小。
▼表15维氏硬度实验力
如表15所示，如果维氏硬度试验时选用的试验力较小，在0.098~0.9807N范围时，则可测金属箔、极浅的表面硬度。因为压痕尺寸小，为了提高测量精度，需要配用显微放大装置。这就是显微维氏硬度实验，通常称“显微硬度”。
显微硬度计
同一种规格型号的维氏硬度试验机，其试验力是有一定范围的。在这个范围内，实验力的传导机构、压头大小、压头棱角刃口锋利程度，都是与该规格试验机相匹配。受这些因素限制，超出其试验力范围的试验，测试结果将会出现较大层误差。比如，在台式试验机上用微小试验力测试的话，由于压头棱角锋利程度不够，将导致压痕形状模糊、不规则，因而得不到准确的测试结果。
4.1.3维氏硬度的表示方法
4.1.4维氏硬度的优缺点
维氏硬度实验方法的优点是不存在布氏硬度实验要求的试验力和压头求直径D所规定条件的约束，以及压头变形问题，也不存在洛氏硬度法那种硬度值无法统一的问题，不仅试验力可以任意选取，而且材质不论软硬，测量数据稳定可靠，精度高。唯一缺点是硬度值需要通过测量压痕对角线长度后才能计算或者查表求得，因此测量效率不及洛氏硬度高。
4.2努氏硬度试验
努氏硬度用HK表示。努氏硬度试验与维氏硬度实验一样，只是压头采用对棱角为172.5°及130°的四棱金刚石锥，在被测表面得到长对角线长度比短对角线长度大7.11倍的菱形压痕，见图7。
▲图7努氏硬度压头及压痕示意图
a）压头b）压痕
只需测量长对角线长度，便可按照下式算出努氏硬度值
努氏硬度一般采用轻载荷，试验力F在50~30000mN（毫牛）范围内选取，HK的单位为9.8N/mm2。
努氏硬度由于压痕细长，而且只需测量对角线长度I，因而精度高，见图8。
▲图8努氏硬度与维氏硬度压痕对比
努氏硬度值与维氏硬度值大致相等，但当载荷小于1000mN以下，两者会出现较大的差别，见图9。努氏硬度与洛氏硬度的关系曲线见表，见图10。
▲图9努氏、维氏硬度值与载荷的关系
▲图10努氏硬度与洛氏硬度的关系
努氏硬度试验法一般用于薄层（表面淬火层或化学渗镀层）和合金中组成相的性能如图11、图12所示。
▲图11渗碳硬化层深度和努氏硬度的关系
a）表层无残留奥氏体b）表层有残留奥氏体
▲图12淬火回火钢中两种组织的努氏硬度压痕
（白色为Cr、V合金化合物1930HK暗色体为基体810HK）
各种相的努氏硬度见表16。
▼表16各种相的努氏硬度值
4.3维氏硬度和努氏硬度试验的注意事项和局限性
4.3.1试验力的选择
当压痕太小不能获得准确读数时，应当加大试验力，如果压痕太大，应当减小试验力。新材料做试验时，经常需要对压头进行一些试验，以确定最佳试验力。
4.3.2压痕的间距
布氏与洛氏硬度试验的压痕间距原则也适用于维氏和努氏试验。基本原则为两压痕间距应大于两压痕产生任何应力变性范围的两倍，亦既保证保证硬度试验不受两压痕变形重叠的影响。
4.3.3硬度值与试验力的关系
由于维氏硬度试验压痕的几何形状相似，似乎硬度值与试验力无关，但是随着显微硬度的广泛使用发现，硬度值有随试验力的变化而变化的情况（参见图9）。可以看出，维氏硬度和努氏硬度随试验力增大呈现相反的变化，前者硬度上升后者下降。当试验力较大时，两者才趋于与试验力无关的常值，但还是有维氏硬度值略高于努氏硬度值的现象。
4.3.4微小、超薄、细长和软质材料的硬度测试
维氏和努氏硬度可用于微小、超薄、细长和软质材料，经常采用图13所示的夹具加持工件。
▲图13显微硬度测试的典型夹具
a）万能夹和水平钳b）加持和抛光钳c）薄金属夹具
d）薄金属夹具e）V型试验支架f）转动钳
图14给出了超薄件进行努氏硬度试验时，所要求的最小厚度，也给出了最小厚度对应的硬度和试验力的关系。
▲图14努氏硬度最小厚度曲线图
对于软质材料（如塑料薄板、油漆等）和极薄涂层（如各种表面涂层），需要采用绩效的试验力（如0.005N）这是硬切实注意震动带来的误差。
肖氏硬度用HS表示。肖氏硬度试验法是一种回跳硬度试验法。它是以一定重量的冲头，从一定高度下落到试样上。冲头的动能一部分消耗于试样表面的塑性变形，另一部分则以弹性变形方式瞬间储存在试样内，由于弹性回复，后一部分能量重新释放出来时，使冲头回跳。硬度与回跳高度成正比，回调越高则硬度越高。
肖氏硬度计
设冲头落下前的高度为h1，回跳高度为h2，则肖氏硬度HS可表示为
式中K——常数，等于140，在实测中不用公式计算可直接用目测或从表盘显示的数值得到。
肖氏硬度是以完全淬硬的高碳钢作为标准试样以回跳的平均高度为100单位。然后把表盘刻度分为100度，考虑到此钢的硬度更高的材料试验，从100再向上刻到140。
肖氏硬度有目测式（C型、SS型）及表盘自动记录式（D型）两种。他们的技术参数列于表17中。
▼表17各种肖氏硬度计的技术参数
莫氏硬度是一种划痕硬度试验法，它是以材料抵抗划痕的能力作为衡量硬度的依据的。主要用于无机非金属材料，特别是矿物。
莫氏硬度计
最初的莫氏硬度是矿物软硬程度的顺序，共分十级，见表18。后来莫氏硬度的应用日益扩大，级数也有所增加，例如纯金属的莫氏硬度的试验结果如表19所示。
▼表18矿石莫氏硬度等级表
▼表19纯金属莫氏硬度等级表
里氏硬度是1978年才引入的测试技术。该硬度值的定义为，冲击体反弹速度(υB)与冲击速度（υA）之比乘以1000，即
材料越硬其反弹速度也越大。图15，为里氏硬度计的测头构造图。
里氏硬度计
▲图15里氏硬度计测头构造图
在进行测试时，头部镶有碳化钨球的冲击体借弹簧力冲向被测试件表面，冲击后反弹。由于冲击体上组装有永磁体，当冲击体通过线圈时，它向前和向后弹回时，均使线圈内感应出电压，这些电压值正比于速度。其信号变化如图16所示。
▲图16冲击前后电压信号变化曲线
经计算机处理后在显示屏上便显示出里氏硬度值HL。
图17表示出了里氏硬度计的试验操作过程。首先将侧头用弹簧力加载（捏住两头向中间挤压），将冲击装置的测试面置于测试位置，然后按压测试杆顶部冲击体释放按钮，此时便可以在显示屏上读取硬度数值。
▲图17里氏硬度试验操作过程示意图
a）向里推压紧弹簧加载b）对准测量位置
c）按压上端启动冲击
里氏硬度值与静载硬度值（布氏、洛氏、维氏硬度）可以通过对比曲线进行相互换算。其测量范围如表20所示。
▼表20里氏硬度试验测量范围
里氏硬度的优缺点如下：
1）携带方便，侧头很小，适用于各种大型、重型工件和半径不小于30mm的内曲面的硬度检测。
2）操作简便，主观因素造成的误差小。
3）对工件表面损伤极小。
4）里氏硬度的物理意义不够明确。
材料的强度指标是机械设计的重要依据，相当程度上决定了材料的使用价值。由于硬度测试简单迅速、不破坏零件，若能有硬度值推算强度值，即使是近似的，也具有十分重要的价值，长期以来受到人们的重视。
根据大量的试验研究，人们得到了一些经验公式，例如布氏硬度与抗拉强度σb有以下近似关系：
对钢铁材料，K=3.3～3.6≈10/3即σb=(10/3)HBW
对铜及铜合金和不锈钢，K=4.0～5.5
对钢铁材料的旋转弯曲疲劳极限σ-1，相当于σb的一半。因此有如下关系：
这样只要测得硬度值HBW，便可粗略推知钢铁材料的抗拉强度与疲劳强度。