材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力稱為硬度。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

將頂部兩相對面具有規(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，測量試樣表面壓痕對角線長度（見圖1）d1、d2，進(jìn)而計算出壓痕表面積，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HV表示。

 

 

維氏硬度的計算公式：

 

維氏硬度的表示：

 

2.維氏硬度的分類

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中按三個試驗(yàn)力范圍規(guī)定了金屬維氏硬度的方法，見下表：

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)對試樣的要求

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

（2）制備試樣時應(yīng)使由于過熱或冷加工等因素對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)為壓痕對角線長度的1.5倍，試驗(yàn)后試樣背面不應(yīng)出現(xiàn)可見變形壓痕。

（4）對于小截面或外形不規(guī)則的試樣，可將試樣鑲嵌或使用專用試臺進(jìn)行試驗(yàn)。

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

置鋼性試臺上以保證試驗(yàn)過程中試樣不產(chǎn)生位移。垂直于試驗(yàn)面施加試驗(yàn)力，加力過程中不應(yīng)有任何的沖擊和振動，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，對于鋼、銅及銅合金至少應(yīng)為壓痕對角線長的2.5倍；對于輕金屬、鉛、錫及其合金至少應(yīng)為壓痕對角線長度的3倍。兩相鄰壓痕中心之間的距離，對于鋼、銅及銅合金至少應(yīng)為壓痕對角線長的3倍；對于輕金屬、鉛、錫及其合金至少應(yīng)為壓痕對角線長度的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)能將對角線放大到視場的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“本部分規(guī)定維氏硬度壓痕對角線的長度范圍為0.020mm~1.400mm。”、“當(dāng)壓痕對角線小于0.020mm時，必須考慮不確定度的增加。”即試驗(yàn)壓出來的壓痕對角線的長度小于0.020mm時；一是增大試驗(yàn)力值讓壓痕對角線的長度大于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，該維氏硬度試驗(yàn)方法做維氏硬度是不適用的或者說該試驗(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 “在平面上壓痕兩對角線長度只差，應(yīng)不超對角線長度平均值的5%；如果超過5%；則應(yīng)在試驗(yàn)報告中注明。”可以認(rèn)為，假如試樣沒有經(jīng)過軋制、鍛造等有加工取向的工藝的均勻材質(zhì)金屬材料時，壓痕對角線長度只差一般是不會超過對角線長度平均值的5%；假如超過，可以考慮舍棄這個壓痕重新進(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“通常試驗(yàn)力越小，測試結(jié)果的分散性越大，對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角線長度的測量而引起的。對于顯微維氏硬度來說，對角線的測量不太可能優(yōu)于±0.001mm。”；本文用型號為401MVD的數(shù)顯顯微維氏硬度計，實(shí)際測試兩對角線都±0.001情況下的顯微維氏硬度值，見下表：

 

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“本部分規(guī)定維氏硬度壓痕對角線的長度范圍為0.020mm~1.400mm。”和該標(biāo)準(zhǔn)附錄B。假設(shè)取壓痕對角線的長度的最小值0.020mm和表B.1中d/D最大值時，可以計算出此時的凸球面的直徑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，計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，計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，計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)取壓痕對角線的長度的最小值0.020mm和表B.1中d/D最小值時，可以計算出此時的凸球面的直徑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，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，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》