金属材料维氏 (HV) 硬度试验方法探讨

金属材料维氏 (HV) 硬度试验方法探讨

刘萌

中车沈阳机车车辆有限公司 辽宁沈阳 110142

摘 要 维氏硬度试验是静态硬度试验中的一种，本文结合作者实际工作经验，从试验条件，试验过程及结果，影响结果的主要因素等方面重点讨论维氏硬度检测中如何正确操作和减小试验误差。

关键词 金属材料 维氏硬度 基本原理 影响因素

1前言

硬度是评定金属材料力学性能最常用的指标之一，硬度值越高，表明金属抵抗塑性变形的能力越大，材料产生塑性变形就越困难。硬度能灵敏地反映金属材料在化学成分、金相组织、热处理工艺及冷加工变形等方面的差异，因此在生产、科研及工程上都得到广泛应用。

2 维氏(HV)硬度试验基本原理

维氏硬度试验采用压入法，根据单位面积所承受的试验力来计算硬度值。采用的压头是两相对面间夹角为136º的金刚石正四棱锥体。试验时，压头在选定的试验力F作用下压入试样表面，经规定保持时间后，卸除试验力，在试样表面压出一个正四棱锥形的压痕，测量压痕对线长度d。用压痕对角线平均值计算压痕的表面积。

3 维氏(HV)硬度的试验条件

3.1 试样要求

3.1.1试样的试验面必须精细制备，一般为光滑平面，不应有氧化皮及外来污物。在试样制备过程中，应尽量避免因受热、冷作硬化对试样表面硬度的影响。试验面粗糙度必须保证压痕对角线能精确测量，粗糙度Ra一般维氏硬度试样(F≥49.03N)应小于0.4um；小力值维氏硬度(1.961≤F＜49.03N)试样不大于0.2um；显微维氏硬度(0.09807≤F＜1.961N)试样不大于0.1um。

3.1.2试样或试验层的厚度也就是说至少应为压痕对角线平均长度的1.5倍。试验后，试样背面不应出现可见变形痕迹。

3.1.3试样的试验面应与支撑面平行，其斜度不应超过0.2°。

3.1.4试样的试验面一般应为平面，必要时也可测试曲率半径不小于5mm的试样，其结果只能与相同曲率半径的结果相比较。但结果加以修正后，仍可同平面时测得的硬度值进行比较。在GB/T 4340.1-2009附录B中列出了曲面修正系数表。修正表是按压痕对角线平均值d和圆柱或球面直径D之比来制定的。修正的方法是根据d／D值去查相关修正系数，然后将在圆柱或球面上所测得的硬度值乘以修正系数，即得修正后的维氏硬度值。

3.2 试验温度

试验一般在(10～35)℃下进行。对温度有较严要求的试验，应控制在(23±5)℃之内。若不能满足以上要求，允许有不大的变动，但必须在试验记录中注明。

3.3 试验力的选择

3.3.1维氏硬度有3种试验类型，每类试验均有多级规定的试验力，就维氏硬度试验而言，试验力有49.03N,98.07N,196.1N,294.2N,490.3N,980.7N等，所对应的硬度符号为HV5，HV10，HV20，HV30，HV50，HV100。试验所用的试验力可按试样材料有关技术条件的规定选定。在有关技术条件中未作规定时，为了得到具有代表性的准确的硬度值，可根据试样硬度的高低和厚度的大小，尽可能地选用较大级的试验力。

3.3.2试验较硬的金属(HV>500)试样时，采用的试验力不宜大于50kgf，以免金刚石压头受到损坏。

3.3.3对于表面层渗碳或薄的试样，可分别选用几级不同的试验力，从小到大地进行若干次试验，直到相邻两级试验力所测得的硬度值相近时，选用其中较小的一级试验力作为试验力。

3.3.4为了保证金刚石压头不至于损坏，在对未知硬度的试样进行试验时，应选用较小的试验力进行探索性试验，若所得的硬度值HV小于500时，则应根据试样厚度，选用适当的较大级试验力进行正式试验。

4 维氏(HV)硬度试验及其结果

4.1 试验力的选择

试验时用选用的试验力和试样预期硬度接近的标准硬度块对仪器进行示值校对。试样支撑面、压头表面及试台应清洁。试样应稳固地放置于试台上，保证在试验过程中不发生位移和翘曲。均匀平稳地施加试验力，不得有冲击和震动。试验力作用方向应与试验面垂直，以保证压痕具有规则的形状。施加试验力的时间为2s～8s。试验力保持时间一般为10s～15s。对于特殊材料，试验力保持时间可以延长，但误差应为±2s。

4.2 压痕间距

任一压痕压痕中心距试样边缘的距离，对钢、铜及铜合金不应小于压痕对角线平均值的2.5倍；对于轻金属、铅、锡及合金不应小于压痕对角线平均值的3倍。

两相邻压痕中心之间的距离，对钢、铜及铜合金不应小于压痕对角线平均值的3倍；对于轻金属、铅、锡及合金不应小于压痕对角线平均值的6倍。

4.3 压痕测量

对于卸除试验力后，测量压痕两对角线长度，用其算术平均值，在GB/T 4340.4-2009中查出维氏硬度值，也可按公式计算出硬度值。

在平面上两对角线长度之差不应超过对角线平均长度的5％，如超过应在报告中注明。

若试验时选用的试验力不恰当时，压痕四边会产生一定的弯曲(凸或凹)。弯曲的形状对硬度值有影响：当试样的硬度高而采用的试验力较小时，压痕四边有外凸现象，按此时对角线计算的投影面积比实际的小，故硬度值偏高；相反，压痕四边出现内凹现象，硬度值偏低。针对这两种情况，应从新选择试验力进行试验，以保证试验结果的正确性。一般情况下，每个试样上至少应测3点。GB/T 4340.1-2009标准规定维氏硬度压痕对角线的长度范围为0.020mm~1.400mm。

5 影响维氏(HV)硬度结果的主要因素

5.1 试验力的大小对试验结果的影响

5.1.1对匀质材料而言，根据相似原理，在任何试验力的作用下，所得的压痕都是几何相似的，理论上说，试验力的选择对维氏硬度值没有影响。然而对于像软钢及黄铜等许多软金属，由于在较大的试验力作用下，塑性影响区域较大，使金属材料抵抗压头压入的能力减小，压痕增大，硬度值有随试验力的增加而下降的趋势。

5.1.2对非匀质的金属材料来说，试验力对维氏硬度的影响就更为明显，其影响的程度主要决定于异质元素的性质、比例和分布。故为了试验结果的重复性和代表性，应选择适当大的试验力进行试验。

5.1.3当采用小试验力时，由于机械抛光产生加工硬化的原因，使维氏硬度值有偏高的现象，特别是对于低硬度的材料较为明显。随着试验力的增加，维氏硬度值又有微小的下降。总之，采用不同试验力对匀质材料的维氏硬度值影响极小。

5.2 加载速度对试验结果的影响

5.2.1一方面由于加载速度的提高，试验力作用时间短，试样来不及充分变形，使金属材料的塑性变形减小，而使维氏硬度值偏高，这种影响对塑性较好的金属比较明显。

5.2.2另一方面，也会因加载速度的提高在名义试验力上附加一惯性试验力而使硬度值偏低。实验验证第二种影响较第一种影响大，所以在实际工作中，维氏硬度值均随加载速度的提高而下降，然后保持一定值。这种现象对高硬度的材料更为明显。

5.3 试验力保持时间对试验结果的影响

任何金属材料在试验力的作用下，其变形将随着试验力作用时间的增长而有所增加。不同性质的金属材料，完成变形所需的时间各不相同，软金属的变形过程长，硬金属的变形过程短。这就是软金属的HV值随试验力时间的增长而明显下降的原因。因此，不同的金属材料应选择合理的保持时间，这样才能对试验结果的影响尽可能的小。

保持时间短，试样来不及充分变形，压痕减小，造成维氏硬度示值偏高，反之时间过长，不但降低试验效率，而且受外来因素的影响使维氏硬度值偏低。

6 结论

维氏硬度试验主要适合测定各种表面处理后的渗层或镀层的硬度以及较小、较薄工件的硬度，显微维氏硬度还可用于测定合金中组成相的硬度。随着科学技术的发展，各种新材料、新工艺不断推出，维氏硬度试验的应用范围也将越来越广。

参考文献

[1] GB/T 4340.1-2009 金属材料 维氏硬度试验 第1部分：试验方法 北京：中国标准出版社

[2] 力学性能试验 北京：中国计量出版社