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金属材料维氏硬度检测

什么是维氏硬度？

维氏硬度（Vickers Hardness）是一种测量材料抗压入变形能力的方法，它是由英国维克斯公司（Vickers Ltd）的罗伯特·史密斯（Robert L. Smith）和乔治·桑德兰（George E. Sandland）于1921年发明的，作为布氏硬度法（Brinell Hardness）的替代方法。布氏硬度法使用球形压头，在较大的载荷下对材料进行压入，可能会造成试件的损坏，并且不能适用于所有材料。

维氏硬度法使用金字塔形的钻石压头，在一定的载荷下对材料表面进行压入，形成一个正方形的压痕，如图1所示。然后用显微镜测量压痕的两条对角线的平均长度d（单位为毫米），并根据以下公式计算出维氏硬度值HV（单位为kgf/mm²或MPa）：

$$HV=rac{1.8544F}{d^2}$$

其中F是施加在钻石上的力（单位为kgf或N）。这个公式可以简化为：

$$HV=rac{0.1891F}{d}$$

图1 维氏硬度测试示意图

维氏硬度有什么优点？

维氏硬度具有以下优点：

• 压头小，不易损坏试件。钻石是一种非常坚硬和耐磨的材料，可以在很小的载荷下产生清晰可见的压痕，适用于小部件或薄壁件的测试。

• 压头适用于任何材料，无论其硬度大小。钻石的硬度远高于任何金属材料，因此可以用来测试任何金属材料的硬度，无需更换压头。

• 计算公式与压头尺寸无关。维氏硬度只取决于载荷和压痕面积，与压头的形状和尺寸无关，因此可以保证测试结果的一致性和准确性。

• 硬度范围广，可以覆盖所有金属材料。维氏硬度可以从几十到几千的范围内变化，可以测量从软铅到硬钢的所有金属材料的硬度。

维氏硬度与其他硬度有什么区别？

除了维氏硬度外，还有其他几种常用的硬度测试方法，如努氏硬度（Knoop Hardness）、布氏硬度（Brinell Hardness）、洛氏硬度（Rockwell Hardness）等。它们的区别主要在于压头的形状、载荷的大小、压痕的形状和测量方法等方面。下面简要介绍一下这些方法的特点：

• 努氏硬度（Knoop Hardness）：使用菱形的钻石压头，在较小的载荷下对材料进行压入，形成一个长方形的压痕，如图2所示。然后用显微镜测量压痕的长对角线长度L（单位为微米），并根据以下公式计算出努氏硬度值HK（单位为kgf/mm²或MPa）：

$$HK=rac{0.07028F}{L^2}$$

其中F是施加在钻石上的力（单位为kgf或N）。努氏硬度法适用于非均匀或脆性材料的测试，因为它可以在很小的载荷下产生很小的压痕，减少试件表面的损伤。

图2 努氏硬度测试示意图

• 布氏硬度（Brinell Hardness）：使用球形的钢球或碳化钨球，在较大的载荷下对材料进行压入，形成一个圆形的压痕，如图3所示。然后用显微镜测量压痕的直径D（单位为毫米），并根据以下公式计算出布氏硬度值HB（单位为kgf/mm²或MPa）：

$$HB=rac{2F}{pi D(D-sqrt{D^2-d^2})}$$

其中F是施加在球上的力（单位为kgf或N），d是球的直径（单位为毫米）。布氏硬度法适用于较大或较粗糙的材料的测试，因为它可以在较大的载荷下产生较深的压痕，提高测试结果的可靠性。

• 洛氏硬度（Rockwell Hardness）：使用圆锥形或球形的钢头，在两个不同的载荷下对材料进行压入，分别形成一个初试压痕和一个主试压痕，如图4所示。然后根据两个压痕的深度差计算出洛氏硬度值HR（单位为无量纲的数值）。洛氏硬度法有多种不同的标尺，根据压头的形状和载荷的大小进行区分，如A、B、C等。洛氏硬度法适用于快速和方便的测试，因为它不需要用显微镜测量压痕的尺寸，只需要读取硬度计上的指示。

维氏硬度与其他硬度的区别可以从以下几个方面进行比较：

• 压头形状：维氏硬度使用金字塔形的钻石压头，努氏硬度使用菱形的钻石压头，布氏硬度使用球形的钢球或碳化钨球，洛氏硬度使用圆锥形或球形的钢头。

• 载荷大小：维氏硬度和努氏硬度可以使用从几克到几千克不等的载荷，布氏硬度一般使用从300到3000千克不等的载荷，洛氏硬度一般使用从60到150千克不等的载荷。

• 压痕形状：维氏硬度形成正方形的压痕，努氏硬度形成长方形的压痕，布氏硬度形成圆形的压痕，洛氏硬度形成圆锥形或球形的压痕。

• 测量方法：维氏硬度和努氏硬度需要用显微镜测量压痕的对角线长度，布氏硬度需要用显微镜测量压痕的直径，洛氏硬度不需要用显微镜测量压痕的尺寸，只需要读取硬度计上的指示。

有哪些维氏硬度测试标准？

维氏硬度测试是一种国际通用的测试方法，有多种国内外标准规范了维氏硬度测试的具体操作和要求。下面介绍几种常用的维氏硬度测试标准：

• 《金属材料维氏硬度试验第1部分：试验方法》GB/T 4340.1-2009：规定了金属材料维氏硬度试验的试验方法、试验条件、试验结果和试验报告等内容。该标准与国际标准ISO 6507-1:2005《金属材料维氏硬度试验第1部分：试验方法》一致。

• 《金属材料维氏及努氏硬度标准试验方法》ASTM E92-17：美国材料与试验协会（ASTM）的标准，规定了金属材料维氏硬度和努氏硬度的标准试验方法、试验条件、试验结果和试验报告等内容。该标准适用于显微维式硬度和正常维式硬度的测试，包括了不同的载荷和压头选择。

• 《金属材料焊接的破坏性测试 硬度测试 第1节:弧焊接缝处的硬度试验》ISO 9015-1:2001：规定了金属材料焊接接头处的硬度测试方法、试验条件、试验结果和试验报告等内容。该标准适用于弧焊接缝处的维氏硬度和努氏硬度的测试，包括了不同的载荷和压头选择。

• 《金属材料焊接工艺规程及评定 焊接工艺评定试验 第1部分:钢的弧焊和气焊、镍及镍合金的弧焊》ISO 15614-1:2017/Amd.1:2019：规定了钢、镍及镍合金的焊接工艺评定试验的方法、条件、结果和报告等内容。该标准适用于弧焊和气焊等常用的焊接方法，其中包括了对焊接接头处的硬度测试的要求。

• 《材料显微压痕硬度标准试验方法》ASTM E384-22：规定了材料显微压痕硬度的标准试验方法、试验条件、试验结果和试验报告等内容。该标准适用于维氏硬度和努氏硬度的微硬度测试，使用从10 gf到1000 gf不等的载荷，主要用于测量非均匀或薄壁材料的硬度。