壓入硬度試驗：揭示材料抵抗變形的能力

核心原理與定義

壓入硬度試驗是一種應用最廣泛的材料力學性能評價方法。其核心原理在于：使用特定幾何形狀的壓頭（最常見為金剛石或硬質(zhì)合金材質(zhì)），在規(guī)定的靜態(tài)試驗力作用下，垂直壓入被測材料的表面，使材料表面發(fā)生塑性變形，形成壓痕。硬度值本質(zhì)上反映了材料在局部小體積內(nèi)抵抗彈性變形、塑性變形乃至破壞的綜合能力。它通過測量壓痕的尺寸（如深度、對角線長度、直徑等），并代入相應的硬度計算公式獲得。

硬度并非材料的基本物理屬性（如彈性模量、密度），而是一個綜合性能指標，受材料的彈性極限、屈服強度、加工硬化率、延展性等多種因素共同影響。壓入法因其操作相對簡便、對試樣破壞小（通常為微米級壓痕）、適用范圍廣（金屬、陶瓷、涂層、聚合物、復合材料等）而成為工業(yè)生產(chǎn)和科研中的標準測試手段。

主要壓入硬度測試方法

根據(jù)壓頭幾何形狀、施加載荷大小以及測量方式的不同，壓入硬度測試發(fā)展出多種標準方法，各有其特點和適用領域：

1. 布氏硬度 (HB)：

   • 壓頭： 硬質(zhì)合金球（直徑D通常為1, 2.5, 5, 10mm）。
   • 測量： 卸載后，測量試樣表面殘留壓痕的平均直徑。
   • 計算： 布氏硬度值 (HBW) = 常數(shù) × 試驗力 (F) / 壓痕表面積 (πD * d/2)。實際應用中通過查表或公式計算。
   • 特點： 壓痕面積大，結果受材料微觀不均勻性影響小，能較好反映材料的平均性能。適用于較軟材料（如退火鋼、鋁、銅合金）及中低硬度的鑄鐵、軸承合金等。對試樣表面粗糙度要求相對較低。載荷較大（通常從幾百公斤力到3000公斤力），壓痕明顯。

2. 維氏硬度 (HV)：

   • 壓頭： 兩相對面夾角為136°的正四棱錐金剛石。
   • 測量： 卸載后，使用光學顯微鏡測量壓痕兩條對角線的平均長度。
   • 計算： 維氏硬度值 (HV) = 常數(shù) × 試驗力 (F) / 壓痕表面積。表面積由對角線長度計算得出。
   • 特點： 應用范圍極廣，從極軟材料到極硬材料（薄層、小件、表面硬化層）均可測試。壓痕為輪廓清晰的正方形，測量精度高。試驗力范圍寬（從幾克力到100公斤力），小載荷下可用于顯微硬度測試（顯微維氏硬度）。對試樣表面光潔度要求較高。

3. 努氏硬度 (HK)：

   • 壓頭： 兩相對棱夾角分別為172.5°和130°的菱形錐體金剛石（長對角線方向夾角大，短對角線方向夾角小）。
   • 測量： 卸載后，測量壓痕長對角線的長度。
   • 計算： 努氏硬度值 (HK) = 常數(shù) × 試驗力 (F) / 壓痕投影面積。投影面積由長對角線長度計算得出。
   • 特點： 壓痕深度淺（約為維氏壓痕的1/7），對角線長度長，特別適用于測試薄層、涂層、表面處理層以及脆性材料（如陶瓷、玻璃）。對試樣厚度要求低，在顯微硬度領域應用廣泛。對表面光潔度要求高。

4. 洛氏硬度 (HR)：

   • 壓頭： 根據(jù)標尺不同，使用金剛石圓錐壓頭（如HRC, HRA）或硬質(zhì)合金球壓頭（如HRB）。
   • 測量原理： 獨特之處在于直接測量壓痕深度。 測試分兩步：首先施加一個初始試驗力（小載荷，如10 kgf），建立測量基準，此時壓頭已接觸材料并產(chǎn)生微小變形；接著施加主試驗力（大載荷），保持規(guī)定時間后，卸除主試驗力，但保留初始試驗力。此時壓頭因材料彈性回復而回升，測量在初始試驗力下壓痕的殘余深度增量。
   • 標尺： 不同壓頭和試驗力的組合對應不同的洛氏硬度標尺（如HRC: 金剛石錐，150kgf；HRB: 1/16"球，100kgf）。硬度值直接由硬度計表盤或數(shù)字顯示讀出，無需測量壓痕尺寸。
   • 特點： 操作最為簡便、快捷（直接讀數(shù)），自動化程度高，適用于生產(chǎn)現(xiàn)場快速大批量檢測。壓痕相對較小。不同標尺間無明確換算關系，需注意選擇正確標尺。對試樣表面平整度和厚度有一定要求。

壓入硬度測試流程與關鍵影響因素

一個標準的壓入硬度測試通常包括以下關鍵步驟：

1. 試樣制備： 被測表面需清潔、平整、光滑。對于維氏、努氏等需要光學測量的方法，表面光潔度要求更高。必要時需進行打磨、拋光。試樣應穩(wěn)固夾持，避免測試時移動。
2. 選擇方法與參數(shù)： 根據(jù)材料預期硬度、試樣厚度/層厚、測試目的（宏觀/顯微）選擇合適的測試方法（布氏/維氏/努氏/洛氏）及對應的試驗力（載荷）、壓頭類型和標尺（洛氏）。
3. 施加試驗力： 以規(guī)定的速率平穩(wěn)施加試驗力至設定值。保載時間（試驗力保持恒定時間）需符合標準規(guī)定（通常10-15秒），以確保塑性變形充分完成，這對軟材料尤其重要。
4. 卸載： 平穩(wěn)卸除主試驗力（洛氏法保留初始試驗力）。
5. 測量壓痕： 對于布氏、維氏、努氏硬度，使用光學顯微鏡或壓痕測量系統(tǒng)精確測量壓痕尺寸（直徑、對角線）。洛氏硬度計直接顯示深度變化換算的硬度值。
6. 計算硬度值： 根據(jù)測量結果和相應公式（或查表/設備自動計算）得出硬度值。

影響測試結果準確性和重復性的關鍵因素包括：

• 試驗力： 載荷大小直接影響壓痕尺寸和深度。必須在同一載荷下比較硬度值。載荷相關性現(xiàn)象（硬度值隨載荷變化）在某些材料（特別是低載荷下）中可能出現(xiàn)。
• 加卸載速率與保載時間： 影響材料的變形行為，尤其是具有蠕變或松弛特性的材料。
• 壓頭狀態(tài)： 壓頭必須完好無損、清潔無污物。金剛石壓頭尖銳，需小心保護。球壓頭長期使用會變形磨損，需定期檢查更換。
• 試樣表面狀態(tài)： 粗糙表面、氧化皮、油污等會顯著影響壓痕形成和測量精度。
• 試樣支撐與夾持： 必須穩(wěn)固，避免測試過程中試樣變形或移動。
• 測量誤差： 光學測量的對線精度、設備分辨率是維氏、努氏、布氏硬度的主要誤差來源。
• 環(huán)境溫度： 標準測試通常在室溫（~23°C）下進行。

應用領域

壓入硬度試驗在眾多領域扮演著核心角色：

• 材料研發(fā)與質(zhì)量控制： 評估材料熱處理效果（如淬火、回火硬度）、冷加工硬化程度、合金成分影響等。是材料入廠檢驗、過程監(jiān)控和成品檢驗的關鍵指標。
• 失效分析： 通過測量不同區(qū)域的硬度分布，幫助判斷零件失效原因（如磨損、過載、疲勞）。
• 涂層與表面處理評價： 測量涂層（電鍍、熱噴涂、PVD/CVD等）或表面改性層（滲碳、滲氮、激光淬火）的硬度、厚度（結合截面法）及結合強度（如劃痕法常結合硬度測量）。
• 微小區(qū)域與薄片測試： 顯微硬度（低載荷維氏、努氏）用于測試微電子器件、細小零件、晶粒、相組織等微小區(qū)域的硬度。
• 材料性能數(shù)據(jù)庫建立： 為設計選材提供重要依據(jù)，硬度常與強度等性能有經(jīng)驗關聯(lián)。
• 標準化與比較： 國際（ISO, ASTM）、國家（GB/T）標準規(guī)范了測試方法，確保結果的可比性。

壓入硬度試驗作為一種經(jīng)典而強大的材料表征手段，通過測量材料抵抗局部塑性變形的能力，為理解材料性能、控制工藝質(zhì)量、評估產(chǎn)品可靠性提供了不可或缺的信息。布氏、維氏、努氏、洛氏等不同方法各有優(yōu)勢，需根據(jù)被測材料的特性、試樣條件及測試目的進行合理選擇。嚴格遵循標準操作規(guī)程，控制測試過程中的關鍵影響因素，是獲得準確、可靠硬度數(shù)據(jù)的根本保障。隨著儀器化壓入技術的發(fā)展，壓入法不僅能提供硬度值，還能獲取更豐富的材料力學性能參數(shù)（如彈性模量、蠕變指數(shù)），其應用前景將更加廣闊。

壓入硬度方法選擇指南摘要