材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力稱(chēng)為硬度。硬度有不同的標(biāo)準(zhǔn)表示。維氏硬度便是其中一種，維氏硬度是英國(guó)史密斯（Robert L. Smith）和塞德蘭德（George E. Sandland）于1921年在維克斯公司（Vickers Ltd）提出的。維氏硬度屬于壓入硬度，是用來(lái)表示金屬材料硬度的主要方式，也可以輔助確認(rèn)金屬材料的金相、牌號(hào)等。本文主要是介紹標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4340.1-2009 《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》 ，解析其試驗(yàn)方法。

 

關(guān)鍵詞

硬度、維氏硬度、顯微維氏硬度、試驗(yàn)方法

 

1.維氏硬度和試驗(yàn)原理

將頂部?jī)上鄬?duì)面具有規(guī)定角度α（136°）的正四棱錐體金剛石壓頭用一定的試驗(yàn)力壓入試樣表面，保持規(guī)定時(shí)間（10s~15s）后，卸除試驗(yàn)力后，在試樣表面壓出具有正方形基面并與壓頭角度相同的壓痕，測(cè)量試樣表面壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度（見(jiàn)圖1）d1、d2，進(jìn)而計(jì)算出壓痕表面積，最后求出壓痕表面積上的平均壓力再除以重力加速度g，即為試樣的維氏硬度值，用符號(hào)HV表示。

 

 

維氏硬度的計(jì)算公式：

 

維氏硬度的表示：

 

2.維氏硬度的分類(lèi)

在標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4340.1-2009《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》 1中按三個(gè)試驗(yàn)力范圍規(guī)定了金屬維氏硬度的方法，見(jiàn)下表：

從表1可以看出金屬維氏硬度試驗(yàn)力最小值為0.09807N，如果試樣要求的力值小于0.09807N，則應(yīng)考慮其他的硬度試驗(yàn)方法，比如納米壓痕。

 

3.維氏硬度試驗(yàn)對(duì)試樣的要求

（1）試樣表面應(yīng)平坦光滑，試驗(yàn)面上應(yīng)無(wú)氧化皮及外來(lái)污物，不應(yīng)有油污，除非特殊要求。試樣表面的質(zhì)量應(yīng)保證壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度的測(cè)量精度，建議試樣表面進(jìn)行拋光處理。

（2）制備試樣時(shí)應(yīng)使由于過(guò)熱或冷加工等因素對(duì)試樣表面硬度的影響減至最小。

（3）試樣或試驗(yàn)層厚度至少應(yīng)為壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度的1.5倍，試驗(yàn)后試樣背面不應(yīng)出現(xiàn)可見(jiàn)變形壓痕。

（4）對(duì)于小截面或外形不規(guī)則的試樣，可將試樣鑲嵌或使用專(zhuān)用試臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)。

維氏硬度計(jì)試臺(tái)應(yīng)清潔無(wú)其他污物，保證試樣試驗(yàn)面處于水平面。試樣應(yīng)穩(wěn)固地放

置鋼性試臺(tái)上以保證試驗(yàn)過(guò)程中試樣不產(chǎn)生位移。垂直于試驗(yàn)面施加試驗(yàn)力，加力過(guò)程中不應(yīng)有任何的沖擊和振動(dòng)，直至試驗(yàn)力從加載到試驗(yàn)力卸載完成。

任一壓痕中心到試樣邊緣距離，對(duì)于鋼、銅及銅合金至少應(yīng)為壓痕對(duì)角線長(zhǎng)的2.5倍；對(duì)于輕金屬、鉛、錫及其合金至少應(yīng)為壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度的3倍。兩相鄰壓痕中心之間的距離，對(duì)于鋼、銅及銅合金至少應(yīng)為壓痕對(duì)角線長(zhǎng)的3倍；對(duì)于輕金屬、鉛、錫及其合金至少應(yīng)為壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度的6倍。如果相鄰壓痕大小不同，應(yīng)以較大壓痕確定壓痕距離。放大系統(tǒng)應(yīng)能將對(duì)角線放大到視場(chǎng)的25%~75%。

標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4340.1-2009《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》 1中說(shuō)“本部分規(guī)定維氏硬度壓痕對(duì)角線的長(zhǎng)度范圍為0.020mm~1.400mm。”、“當(dāng)壓痕對(duì)角線小于0.020mm時(shí)，必須考慮不確定度的增加。”即試驗(yàn)壓出來(lái)的壓痕對(duì)角線的長(zhǎng)度小于0.020mm時(shí)；一是增大試驗(yàn)力值讓壓痕對(duì)角線的長(zhǎng)度大于0.020mm；二是試驗(yàn)力值不能增大，必須考慮增加不確定度，如果不能增加不確定度又不能確認(rèn)不確定度時(shí)，該維氏硬度試驗(yàn)方法做維氏硬度是不適用的或者說(shuō)該試驗(yàn)是失敗的。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4340.1-2009《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》 7.6中說(shuō) “在平面上壓痕兩對(duì)角線長(zhǎng)度只差，應(yīng)不超對(duì)角線長(zhǎng)度平均值的5%；如果超過(guò)5%；則應(yīng)在試驗(yàn)報(bào)告中注明。”可以認(rèn)為，假如試樣沒(méi)有經(jīng)過(guò)軋制、鍛造等有加工取向的工藝的均勻材質(zhì)金屬材料時(shí)，壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度只差一般是不會(huì)超過(guò)對(duì)角線長(zhǎng)度平均值的5%；假如超過(guò)，可以考慮舍棄這個(gè)壓痕重新進(jìn)行一次試驗(yàn)。

標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4340.1-2009《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》1中注2說(shuō)“通常試驗(yàn)力越小，測(cè)試結(jié)果的分散性越大，對(duì)于小力值維氏硬度和顯微維氏硬度尤為明顯。該分散性主要是由壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度的測(cè)量而引起的。對(duì)于顯微維氏硬度來(lái)說(shuō)，對(duì)角線的測(cè)量不太可能優(yōu)于±0.001mm。”；本文用型號(hào)為401MVD的數(shù)顯顯微維氏硬度計(jì)，實(shí)際測(cè)試兩對(duì)角線都±0.001情況下的顯微維氏硬度值，見(jiàn)下表：

 

5.在曲面試樣上做維氏硬度試驗(yàn)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4340.1-2009《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》6.5“對(duì)于在曲面試樣上試驗(yàn)的結(jié)果，應(yīng)用附錄B表B.1~B.6進(jìn)行修正。”可以知道在一定條件下還是可以用維氏硬度來(lái)表示金屬材料的曲面硬度。

結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4340.1-2009《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》 1中說(shuō)“本部分規(guī)定維氏硬度壓痕對(duì)角線的長(zhǎng)度范圍為0.020mm~1.400mm。”和該標(biāo)準(zhǔn)附錄B。假設(shè)取壓痕對(duì)角線的長(zhǎng)度的最小值0.020mm和表B.1中d/D最大值時(shí)，可以計(jì)算出此時(shí)的凸球面的直徑D為0.097mm。既根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4340.1-2009《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》能做維氏硬度的凸球面的直徑D最小理論值為0.097mm。同理取表B.2中d/D最大值時(shí)，計(jì)算出能做維氏硬度的凹球面的直徑D最小理論值為0.213mm；取表B.3、B.5中d/D最大值時(shí)，計(jì)算出能做維氏硬度的凸圓柱面的直徑D最小理論值為0.082mm；取表B.4、B.6中d/D最大值時(shí)，計(jì)算出能做維氏硬度的凹圓柱面的直徑D最小理論值為0.090mm。

假設(shè)取壓痕對(duì)角線的長(zhǎng)度的最小值0.020mm和表B.1中d/D最小值時(shí)，可以計(jì)算出此時(shí)的凸球面的直徑D為5.000mm。既根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4340.1-2009《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》當(dāng)凸球面的直徑D大于5.000mm時(shí)，試驗(yàn)的結(jié)果是不需要進(jìn)行修正的。同理可知當(dāng)凹球面的直徑D大于5.000mm、凸圓柱面的直徑D大于2.222mm、凹圓柱面的直徑D大于2.500mm時(shí)，試驗(yàn)的結(jié)果是不需要進(jìn)行修正的。

 

GB/T 4340.1-2009《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》