建筑材料檢測(cè)中幾種硬度測(cè)試的特點(diǎn)及方法

陳朝暉 （安徽省建筑工程質(zhì)量第二監(jiān)督檢測(cè)站，安徽 合肥 230031）

1 概述

硬度測(cè)試是建筑工程材料檢測(cè)中常見的一項(xiàng)質(zhì)量控制檢測(cè)。金屬材料表面抵抗變形或破裂的能力稱為硬度。試驗(yàn)時(shí)對(duì)樣品施加外部荷載，通過測(cè)量試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生的形變從而確定硬度。硬度到目前為止還沒有統(tǒng)一的檢測(cè)和表示方式，有的學(xué)者認(rèn)為硬度是材料抵抗破壞和殘余變形的能力；也有的學(xué)者認(rèn)為硬度是材料抵抗彈性變形和塑性變形的能力。

2 硬度試驗(yàn)的分類及其特點(diǎn)

2.1 硬度試驗(yàn)的分類

材料的硬度不僅與其彈性極限、屈服極限、脆性等性能有關(guān)，且與材料的一些微觀性能有關(guān)，例如分子結(jié)構(gòu)、粒子間作用力和結(jié)晶狀態(tài)等。硬度值的獲取也與測(cè)試的條件和測(cè)試的方法有很大關(guān)系。隨著當(dāng)代檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，硬度的測(cè)試方法已有很多種，大體上可分為壓入法和刻畫法兩大類。而在建筑工程材料檢測(cè)中，壓入法更為常見。通常來說，壓入法的硬度檢測(cè)主要是測(cè)試試樣抵抗較硬的、具有一定形狀和大小的壓頭壓入其表面的能力。若按施加試驗(yàn)力的方式不同又可將壓入法分為靜載壓入法和動(dòng)載試驗(yàn)法。像我們工程材料檢測(cè)中常用到的布氏硬度、維氏硬度、洛氏硬度都屬于靜載壓入法；而像肖氏硬度和里氏硬度均屬于動(dòng)載壓入法。

2.2 硬度試驗(yàn)的特點(diǎn)

①硬度試驗(yàn)是非破壞性試驗(yàn)，對(duì)試樣的損傷微小，一般不影響后續(xù)使用；

②硬度檢測(cè)的試驗(yàn)方法簡(jiǎn)單便捷，尺寸不同的試樣都可以進(jìn)行檢測(cè)，新型的便攜式硬度計(jì)更可以攜帶到現(xiàn)場(chǎng)或者在試件上直接進(jìn)行測(cè)量；

③對(duì)于一些不方便切割的試件，如螺母、鋼墊片、錨具、夾片、扳手等一些工具和刀具，在對(duì)這些試件做質(zhì)量檢測(cè)時(shí)，硬度試驗(yàn)是唯一可行的試驗(yàn)方法；

④硬度試驗(yàn)的操作較為簡(jiǎn)單，因此效率高，掌握熟練后，每分鐘可進(jìn)行多次。因此對(duì)重要零部件的檢驗(yàn)可以達(dá)到100%；

⑤硬度值與其他機(jī)械性能，如強(qiáng)度極限等有近似的換算關(guān)系，有了硬度值就可以間接地了解其他機(jī)械性能，又因硬度試驗(yàn)簡(jiǎn)單、快速，可以大幅度提高工作效率，且可對(duì)其他機(jī)械性能做預(yù)判；

⑥硬度試驗(yàn)屬于理化分析的一種，是常見的材料科學(xué)研究的重要手段之一。

總之，硬度試驗(yàn)是材料機(jī)械性能試驗(yàn)中最為簡(jiǎn)單、高效且易于實(shí)施的方法，也是確定材料合理的加工工藝、檢驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量的重要方法之一。

3 硬度檢測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展、生產(chǎn)生活的需要和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)硬度試驗(yàn)的要求越來越廣泛，對(duì)硬度值測(cè)定的準(zhǔn)確度要求也越來越高，這樣就促進(jìn)了功能先進(jìn)、操作方便、精度更高的硬度計(jì)的產(chǎn)生。隨著工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化、規(guī)模化的不斷擴(kuò)大，加上越來越嚴(yán)格的質(zhì)量控制要求，在工業(yè)生產(chǎn)過程中連續(xù)的自動(dòng)測(cè)量檢測(cè)系統(tǒng)愈發(fā)重要，這樣就可以做到在線檢測(cè)和實(shí)時(shí)的質(zhì)量監(jiān)控。硬度檢測(cè)若能做到在生產(chǎn)過程中進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，那對(duì)產(chǎn)品性能的提高和工藝流程的優(yōu)化有很大幫助。因此，關(guān)注硬度檢測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)，不斷提高硬度檢測(cè)儀器的先進(jìn)性，開展硬度的理論研究，保證硬度測(cè)試不斷發(fā)展是硬度檢測(cè)目前發(fā)展的主要趨勢(shì)。

4 硬度試驗(yàn)試樣的要求

①進(jìn)行硬度試驗(yàn)的試樣表面應(yīng)光滑平整，不應(yīng)有污物和氧化表層，更不應(yīng)有油脂，這樣才能保證試樣表面能進(jìn)行精確地壓痕測(cè)量。

②試樣在制備過程中，應(yīng)盡可能避免過熱或過冷的加工條件對(duì)試樣硬度的影響。

③進(jìn)行試驗(yàn)的試樣厚度至少應(yīng)為壓痕深度的10倍。

5 幾種常見的硬度測(cè)試

若在工程材料檢測(cè)上沒有使用正確的硬度類型，容易引起試驗(yàn)數(shù)值上的誤差。而在材料檢測(cè)判定時(shí)，如果對(duì)不同硬度測(cè)試方法的原理和表示方法不清楚，也容易出現(xiàn)表達(dá)錯(cuò)誤。下文對(duì)我站建筑材料上常用的幾種硬度測(cè)試的原理、表示方法進(jìn)行了介紹，以方便讀者更好地進(jìn)行日常建筑工程材料檢測(cè)與技術(shù)交流。

5.1 洛氏硬度

洛氏硬度是通過試驗(yàn)的壓痕深度來確定硬度值的，是如今使用頻率比較高的幾種壓痕硬度試驗(yàn)之一。大多數(shù)壓痕硬度試驗(yàn)是測(cè)量當(dāng)實(shí)驗(yàn)中的試樣被一種特殊硬度的試驗(yàn)壓頭施壓時(shí)的變形。

對(duì)于很多老式的洛氏硬度儀來說，試驗(yàn)員必須自行操作所有試驗(yàn)步驟和程序。而現(xiàn)在很多新型洛氏硬度儀能自動(dòng)地執(zhí)行整個(gè)洛氏硬度試驗(yàn)。

5.1.1 測(cè)試原理

洛氏硬度是以頂角為120°的金剛石圓錐體或者直徑為1.588mm的淬火鋼球作為壓頭，以標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)力使其壓入試件表面。試驗(yàn)時(shí)，先加初試驗(yàn)力，然后加主試驗(yàn)力。加入試件表面后，卸除主試驗(yàn)力，在保留初試驗(yàn)力的情況下，根據(jù)試件表面壓痕的深度確定被測(cè)樣品的洛氏硬度值。

洛氏硬度值由壓痕的深度大小來確定，壓入的深度越大，硬度值越低；反之，硬度值越高。但一般人們習(xí)慣上認(rèn)為試驗(yàn)數(shù)值越大則硬度值越高。因此試驗(yàn)計(jì)算時(shí)用一個(gè)常數(shù)減去壓痕深度來表示硬度值，且規(guī)定壓痕深度增加0.002mm，則增加一個(gè)硬度單位。由此獲得的硬度值為洛氏硬度值，用符號(hào)HR表示。試驗(yàn)時(shí)洛氏硬度值一般可以從儀器上直接讀出。

5.1.2 表示方法

為了讓洛氏硬度的測(cè)量范圍較大，能應(yīng)用到軟硬不同的材料上，洛氏硬度試驗(yàn)有三種試驗(yàn)力和三種壓頭，這樣就分出9種組合，對(duì)應(yīng)于洛氏硬度的9個(gè)標(biāo)尺：HRA、HRB、HRC、HRD、HRE、HRF、HRG、HRH和HRK。這9個(gè)標(biāo)尺可以測(cè)定大部分常用的金屬材料，其中HRC這個(gè)標(biāo)尺應(yīng)用最為廣泛。

洛氏硬度表示時(shí)按硬度值、符號(hào)（HR）、標(biāo)尺的順序書寫。例如：28HRC表示用洛氏硬度C標(biāo)尺測(cè)定的硬度值為28。

5.2 布氏硬度

布氏硬度Brinell Hardness（HB）是由瑞典工程師布納瑞（J.A.Brinell）提出，并用他的名字來命名的，故稱布氏硬度。

布氏硬度試驗(yàn)是所有硬度試驗(yàn)中壓痕最大的一種試驗(yàn)方法，它不受試件某些微觀性能和成分不均勻的影響，因此能一定程度上反映出所測(cè)材料的綜合性能，也是一種精度較高的硬度測(cè)試方法。在一些工業(yè)領(lǐng)域，如鍛造、鑄造、冶金和有色金屬行業(yè)有廣泛使用，同時(shí)在高校實(shí)驗(yàn)室和科研單位也經(jīng)常使用。布氏硬度尤其適用于一些晶粒大的金屬材料的硬度測(cè)定。

5.2.1 測(cè)試原理

布氏硬度試驗(yàn)使用的壓頭是具有一定直徑的硬質(zhì)合金球（在《金屬布氏硬度試驗(yàn)第1步：試驗(yàn)方法》（GB/T231.1-2018）的標(biāo)準(zhǔn)中取消了鋼球壓頭），試驗(yàn)時(shí)用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)力壓入試樣表面，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的保持時(shí)間后卸除試驗(yàn)力，測(cè)量試樣表面壓痕直徑，布氏硬度值暨試驗(yàn)力除以壓痕表面積的商。

5.2.2 表示方法

日常書寫中，在布氏硬度符號(hào)（HBW）前面注明硬度值，符號(hào)后面寫清試驗(yàn)條件，即壓球直徑、試驗(yàn)力和保持時(shí)間，采用規(guī)定的保持時(shí)間（10～15s）則不用標(biāo)注。例如：215HBW15/800/20，表示用直徑15mm的硬質(zhì)合金球，在800kgf（7845N）試驗(yàn)力的作用下，保持20s時(shí)的布氏硬度值為215，一般簡(jiǎn)寫為215HBW。又如：215HBW15/800，表示用直徑15mm的硬質(zhì)合金球，在800kgf（7845N）試驗(yàn)力的作用下，保持10～15s時(shí)的布氏硬度值為215，10～15s為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，不用標(biāo)注，一般簡(jiǎn)寫為215HBW。這是工程材料檢測(cè)中常見的表示方法。

5.3 維氏硬度

維氏硬度（Vickers-hardness）也是表示材料硬度的一種方法，是由英國(guó)科學(xué)家維克斯首先提出。因此用他的名字命名。

比起其他硬度試驗(yàn)其優(yōu)點(diǎn)有：①硬度值與壓頭大小、負(fù)荷值無關(guān)；②無須根據(jù)材料軟硬變換壓頭；③試驗(yàn)時(shí)測(cè)量的正方形壓痕輪廓邊緣清晰，便于測(cè)量。維氏硬度幾乎被應(yīng)用于所有金屬材料，且是如今應(yīng)用最廣泛的硬度方法之一。維氏硬度試驗(yàn)時(shí)，可以用低壓力和小壓痕得到可靠的試驗(yàn)值，因此能減少材料的破壞。這種特點(diǎn)使維氏硬度可以用于較薄材料的硬度檢測(cè)中，這一點(diǎn)上維氏硬度要優(yōu)于布氏硬度。而在硬度不高的同一均勻材料上，維氏硬度和布氏硬度試驗(yàn)得出的數(shù)值較為相近。

5.3.1 測(cè)試原理

維氏硬度（HV）以120kg以內(nèi)的載荷和頂角為136°的金剛石方形錐壓入材料表面，用載荷值除以材料壓痕凹坑的表面積，即為維氏硬度值。

5.3.2 表示方法

日常書寫中，在維氏硬度符號(hào)（HV）前面注明硬度值，符號(hào)后面寫清試驗(yàn)力和保持時(shí)間，采用規(guī)定的保持時(shí)間（10～15s）則不用標(biāo)注。例如：750HV20/30表示用20kgf（196N）試驗(yàn)力，保持30s測(cè)定的維氏硬度值為750，一般簡(jiǎn)寫為750HV。又如750HV20表示用20kgf（196N）試驗(yàn)力，保持10～15s測(cè)定的維氏硬度值為750，10～15s為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，不用標(biāo)注，一般簡(jiǎn)寫為750HV。這是工程材料檢測(cè)中常見的表示方法。

6 結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，硬度測(cè)試的方法已有很多種?？v觀硬度檢測(cè)方法相較于其他質(zhì)量檢測(cè)，操作都較為簡(jiǎn)單、高效，且所測(cè)試件不破壞。硬度測(cè)量日后的發(fā)展重點(diǎn)主要在實(shí)現(xiàn)在線化和智能化；其次要加強(qiáng)顯微硬度測(cè)量技術(shù)研究，探索微觀尺度下硬度的測(cè)量方法，開發(fā)相關(guān)儀器設(shè)備，這樣所測(cè)出的硬度更接近其結(jié)構(gòu)本身，且更為精確。隨著建筑工程材料檢測(cè)的要求越來越嚴(yán)格，對(duì)硬度測(cè)量技術(shù)進(jìn)一步研究具有十分重要的意義，作為檢測(cè)單位，也會(huì)提供自己的力量。