材料硬度的表征方法和测试手段综述

材料硬度的表征方法和测试手段综述

陈显文

广元市昭化区虎跳初级中学 628025

摘要本文主要是对材料硬度的表征方法和测试手段的研究，硬度的表征方法无非有两种，一种是只是对硬度的相对高低进行描述，如莫氏硬度；还有一种是有明确的物理意义，比如布氏硬度、维氏硬度、努氏硬度等可以说成压痕单位表面积所能承受的压力。而硬度的测试手段也大致可分为刻划法、压入法、回跳法三种。

最终我认为将莫氏、维氏、肖氏硬度统一整合使用，可以说是一套较为全面的硬度测试系统。莫氏硬度可以让我们快速的得知材料硬度的粗略值，方便我们对材料有初步的判断；而维氏硬度是用的最多的一种，主要是它可以测几乎所有的金属材料，而且测量精度高；最后肖氏硬度则是可以针对一些有弹性的材料。希望以后会有人研究出一种方法适用于所有材料的硬度测量。

而在文章的编排上，我是从硬度入手，从硬度的概念到硬度的分类，再叙述各种硬度的应用和测试方法等，逐级扩散。

关键词：硬度；硬度的分类；应用；优缺点；测试手

1 引言

    早在1822年,德国矿物学家莫斯提出用矿物来作为物体硬度的量度，将硬度分为了十个等级，每一个等级分别用一种矿物表示，再通过比较被测材料与这十种矿物的划痕得到硬度的粗略值，称之为莫氏硬度。从这以后人们根据日常生活或工业上的需求又研究总结出多种硬度的系统理论，有洛氏、布氏、维氏、里氏、肖氏、巴氏、努氏、显微硬度等等。下面我就从硬度的概念、分类以及应用和测试等方面进行叙述。

2 硬度的概念

    硬度从字面意义上来看就是指物体坚硬的程度，其实硬度是指材料的一种局部抵抗硬物压入其表面的能力，也可以说是材料对外界硬物入侵的一种抵制能力，可以用来衡量各种材料的软硬。

3 硬度的分类及表示

    虽然说硬度可以看作是材料局部抵抗硬物压入其表面的能力，但不同的测试方法，会使材料产生不同的抵抗能力，有抵抗破裂能力的，有抵抗塑性变形能力的，还有抵抗弹性形变能力的，由此我们可以按测试方法将硬度大致分为三类，分别是划痕硬度、压入硬度、回跳硬度。

3.1  划痕硬度

我们将采用了刻划法测量硬度而测得的硬度统一归为划痕硬度。此类硬度可以表示材料抵抗表面局部破裂的一种能力。莫氏硬度就是使用这种测试方法。

3.2  压入硬度

我把使用了压入法而测得的硬度统一归为压入硬度，这类硬度可以表示材料抵抗表面塑性变形的一种能力，大多是用来测量金属材料，而根据测试时使用压头的重量、形状和持续时间的不同，压入硬度也分为几种，主要是洛氏、布氏、维氏硬度三种，除此之外还有巴氏、努氏、显微硬度等等。

3.3  回跳硬度

我们将使用了回跳法测量的硬度统一归为回跳硬度，这种硬度也主要用于测试金属材料的硬度，还有就是有一定弹性的材料。测试时用一个特定形状和重量的小锤从一定的高度自由地或以一定的初速度下落冲击被测材料表面，通过小锤往回跳起的高度或回跳的速度来计算材料的硬度，测得的硬度值表示材料抵抗弹性变形的一种能力。

4 硬度的应用及测试

以划痕硬度为例

4.1  划痕硬度

采用了刻划法测硬度的主要就是莫氏硬度，那具体要怎样测试莫氏硬度呢？其实主要就是比较，用十个硬度等级的矿物和被测材料在一块不同位置硬度不同的长板上进行刻划，对比划出痕迹的长度，看哪一种矿物的划痕与被测材料的划痕相似，从而判断被测材料的硬度等级。莫氏硬度仅仅只是相对硬度，是比较粗略的。但是在一些缺少仪器的时候，如野外，我们就可以采用这种方法来估测材料的硬度。为此我们有有专门的莫氏硬度表。

表1  莫氏硬度表      

    莫氏硬度测试方法简单，适合野外作业，可以快速测出材料的硬度，但是测得的是相对硬度，比较粗略，但这也能让我们对被测材料有一定的了解。

4.4  硬度测试的影响因素

首先我说一说粗糙度对硬度测试的影响，因为大部分硬度测试都对粗糙度有所要求，显微硬度甚至要制作专门的材料试样磨片。在测量布氏硬度时，当被测表面粗糙度值大于一定值时，随着粗糙度值的增大，会使测量值偏低，这是布氏硬度测试。但是表面粗糙度对洛氏硬度值影响不大[[1]]。粗糙度对硬度测试有所影响，那我们怎样解决呢？那就需要我们自己注意被测材料的粗糙度是否符合要求，如果材料不符要求，而又不能替换，这时就需要我们对材料进行加工，手工或机械加工都可以。将材料表面粗糙度对测试的影响降低，这样我们的测试才会更加精准。

材料所处的环境也比较重要，因为环境会对材料表面造成影响，比如会让材料表面有附着物、水气等，这就需要我们进行清理。尤其是一些金属材料，表面如果被氧化生锈，这时更加需要我们对其进行处理，再进行测试，以确保测试的准确性。

5结论

我按照测试方法对硬度进行了归纳，系统的阐述了硬度的各种表示方法和测试手段，可以看出各种硬度系统都是各有千秋，谁也不能一统天下。在我看来这三种硬度的测试方法都是不可或缺的，像莫氏硬度主要针对的是矿物的硬度测试，而采用压入法的几个硬度主要是针对金属的硬度测量，而当我们要测量一些有弹性的材料的硬度时，回跳法则又是我们最好的选择。因为划痕硬度所表现的是材料抵抗局部破裂的一种能力，所以对于莫氏硬度是我们必须要采用的；而压入硬度表现的是材料抵抗表面塑性变形的能力，维氏硬度虽然在操作上有一定难度，但它的测试准确度高，可以测试几乎所有的金属材料，所以在压入硬度中维氏硬度是我们广泛采用的硬度门类；回跳硬度则是表现了材料抵抗弹性形变的能力，其中的肖氏硬度现在又增加了HSE，也有以回跳速度为硬度量度的，所以肖氏硬度比里氏硬度更为完整。所以我认为将莫氏、维氏、肖氏硬度统一整合使用，是较为完整的硬度测试体系。

当我们对未知硬度的材料进行测试时，首先使用莫氏硬度，这会让我们对这个材料有一定的了解，形成初步认知；再看其是否具有弹性，以确定使用维氏或肖氏来进行测量，进一步得出较为精确的硬度值。

这只是现在我的看法，但我相信在不久的将来，随着科技人文的发展，人们一定会创造出一种更为简单的方法，制造出更加简便的仪器，可以让我们更加快速、准确的知道一种未知材料的硬度值。

参考文献

[[1]]郑远谋,郑化权.表面粗糙度对金属材料硬度测试数据的影响[N].钢铁研究学报，1991-3-1:81-85.

[10]Applied Mechanics and Materials.Energy Approach to Material Hardness Determination[J].Trans Tech,2015:170-176.