硬軟及硬度試驗(yàn)

施昌彥

    硬和軟的概念來自于日常生活和生產(chǎn)實(shí)踐。未成熟的柿子是硬的，熟透的柿子是軟的；干燥的土塊是硬的，濕潤的泥土是軟的；玻璃是硬的，木材是軟的；鋼鐵是硬的，滑石是軟的。同樣是鋼材，經(jīng)淬火和氮化處理后表面就變硬。由此可見，硬和軟是有條件的、相對的。
    硬度，通俗地說，是固體材料或物品軟硬程度的定量表示。嚴(yán)格地說，是固體材料或物品抵抗彈性變形、塑性變形或破壞的能力，或者是抵抗其中兩種或三種同時(shí)發(fā)生的能力。例如，硬度作為礦物的物理性質(zhì)之一，是礦物抵抗外來機(jī)械作用特別是劃痕作用的能力；作為材料的機(jī)械性能之一，是材料抵抗其它物體(具有一定形狀和尺寸的較堅(jiān)硬的物體)壓入其表面的能力。
    眾所周知，兩樣物品相互劃磨或刻劃，在軟的物品上、會(huì)產(chǎn)生劃痕，而硬的物品則紋絲不變。1822年，人們最早即是以這種抵抗劃痕破壞的能力，來比較或衡量礦物的硬度:第1級(jí)最軟的是滑石，第2級(jí)次軟的是石膏，……第9級(jí)次硬的是剛玉，第10級(jí)最硬的是金剛石。這就是莫氏刻度或莫氏硬度(Mohs hardness)。顯然，第10、9兩級(jí)之間的硬度差別，要比第2、1兩級(jí)之間的差別大得多。所以，這種劃痕試驗(yàn)不完全是定量的，但對于野外作業(yè)的礦物學(xué)者來說，不失是一種實(shí)用而簡便的方法。
    這種方法后來被移植到純金屬:鈉最軟為0.4級(jí)，而銅和鐵同為4級(jí)。不久，又被移植到顯微劃痕儀:在27.4毫牛(3克力)的力作用下的立方體金剛石，對物品進(jìn)行劃痕，按所得劃痕的寬度來計(jì)算其硬度。由于劃痕方法不甚精確，難以適應(yīng)材料工業(yè)迅速發(fā)展和硬度應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大的需要；又由于人們對硬度這個(gè)技術(shù)參量的認(rèn)識(shí)有所深入，新的試驗(yàn)方法不斷出現(xiàn)，如靜態(tài)壓痕和動(dòng)態(tài)回跳為主的硬度試驗(yàn)方法及試驗(yàn)設(shè)備，使硬度測量得以逐步改進(jìn)與發(fā)展?，F(xiàn)有的硬度標(biāo)尺已增加到幾十種之多。
    金屬的耐磨性、強(qiáng)度等通常同硬度有關(guān)，機(jī)器中相互發(fā)生摩擦的零件(如軸承中的滾珠與軸瓦)須有足夠的硬度。在金屬切削加工方面，常按工件材料的硬度來選擇刀具及切削速度；在金相熱處理方面，常通過硬度試驗(yàn)來檢驗(yàn)機(jī)械零件熱處理后的強(qiáng)度。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一輛4 t載重卡車的發(fā)動(dòng)機(jī)有204種零件(不含標(biāo)準(zhǔn)件，下同)，其中107種要測量硬度；一架大型噴氣式客機(jī)，單是4個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的零件就有1.2萬多個(gè)需測量硬度；常用的機(jī)械手表有130多個(gè)零件，其中70多個(gè)需測量硬度。對于軸承、刀具、鋼軌等，幾乎100%要進(jìn)行硬度檢驗(yàn)，并以此作為產(chǎn)品是否合格的重要依據(jù)。
    一般說來，硬度過高，零件易造成脆性斷裂或是加工性能不好；硬度過低，則容易磨損或是強(qiáng)度不夠。除了金屬材料外，橡膠、塑料、木材、皮革、玻璃鋼、土壤、水果等，均需測量硬度。例如，果品的硬度值常用于確定果品的采摘時(shí)間，以及制定儲(chǔ)藏、保鮮、包裝與運(yùn)輸方案等；通過測量土壤硬度值，可以了解土壤對種子發(fā)芽與根系生長的阻力，以及土壤對農(nóng)機(jī)的承載能力。
    由于硬度與強(qiáng)度之間有一定關(guān)系，可以通過制定硬度與強(qiáng)度的換算值，使人們有可能以簡便、迅速、不破壞零件使用性能的硬度試驗(yàn)，來替代破壞性的、相對費(fèi)時(shí)費(fèi)力的強(qiáng)度試驗(yàn)，從而大大提高了效率和效益。由于硬度試驗(yàn)簡便易行，局部的塑性變形對試件損傷極微，并不影響使用價(jià)值，在這個(gè)意義上可以認(rèn)為它是非破壞性試驗(yàn)，所以應(yīng)用廣泛。
    硬度試驗(yàn)方法按施加作用力的特性，可分為靜力硬度試驗(yàn)和動(dòng)力硬度試驗(yàn)兩大類；按被試材料的特性，可分為金屬硬度試驗(yàn)和非金屬硬度試驗(yàn)兩類。靜力硬度試驗(yàn)是在靜力作用下，將規(guī)定材料與形狀的硬質(zhì)壓頭，壓入被試材料的表面，經(jīng)過一定的保持時(shí)間后卸除該力，然后測量壓痕的深度或大小，通過計(jì)算、查表或自動(dòng)顯示來獲得硬度值。試驗(yàn)時(shí)力應(yīng)平穩(wěn)地施加到試件表面上，不得有沖擊和振動(dòng)。屬于靜力試驗(yàn)的有布氏(Brinell)、洛氏(Rockwell)、維氏(Vickers)及顯微硬度(Microhardness)試驗(yàn)等，它們多以壓痕單位面積上承受的試驗(yàn)力為標(biāo)志，來表征硬度值。
    動(dòng)力硬度試驗(yàn)是在動(dòng)力作用下，將規(guī)定材料與針狀的硬質(zhì)沖頭，沖擊被試材料的表面，通過測量沖頭回跳高度等參數(shù)來獲得硬度值。屬于動(dòng)力試驗(yàn)的有肖氏(Shore)、里氏(Leeb)硬度試驗(yàn)等，它們以材料的彈性變形為主要特征。
    布氏硬度值HBS(淬火鋼球壓頭)或HBW(硬質(zhì)合金球壓頭)，以壓痕表面積上的平均壓力表示。由于壓痕較大，能反映試件較大范圍的綜合性能，故適用于經(jīng)退火或正火處理的粗大晶粒的試件，以及鑄鐵、鋼材、有色金屬、軟合金等；此外，也可應(yīng)用于電木、塑料等某些非金屬材料。洛氏硬度的標(biāo)尺，按所用壓頭(金剛石圓錐體或不同直徑的鋼球)形式和總試驗(yàn)力的不同有15種之多。在常用的A、B、C三種標(biāo)尺中，HRA適用于硬金屬和硬質(zhì)合金，如碳化鎢、滲碳鋼等；HRB適用于有色金屬和軟金屬，如軟鋼、鋁合金、銅合金、可鍛鑄鐵及退火鋼等；HRC適用于熱處理后的結(jié)構(gòu)鋼和工具鋼，如淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼等。表面洛氏硬度的標(biāo)尺也有15種，適用于氮化、氰化、滲碳零件及薄試件表面硬度的測量。
    維氏硬度用金剛石正四棱錐體作壓頭，通過測量壓痕兩對角線長度，以壓痕單位表面積上承受的試驗(yàn)力表示硬度值HV。它適用于金屬、合金及其表面層硬度的測量，軟硬材料均可，特別適用于試驗(yàn)面積較小、較薄而硬度值又較高的試件，如發(fā)條、游絲等的硬度測量。顯微硬度是試驗(yàn)力小于1.961～9.807N(0.2～1kgf)的維氏硬度，適用于測量極薄的或特別小的零部件、表面硬化層、鍍層及金相組織的硬度，也可用于脆性材料(如玻璃、寶石等)、琺瑯質(zhì)及補(bǔ)牙塑料等。肖氏硬度沖頭的頂端為金剛石，沖頭從固定高度自由下落到試件表面，由于材料的彈性變形而回跳到某一高度，用這兩個(gè)高度的比值即可表示硬度值HS。它主要用于軋輥、機(jī)床床身、曲軸、大齒輪、螺旋槳葉片等大型工件的現(xiàn)場硬度測量。
    由上可知，硬度值的大小不僅取決于材料，而且取決于試驗(yàn)條件和試驗(yàn)方法。換言之，硬度值的獲得，不僅與材料的彈性模量、比例極限、塑性、脆性以至結(jié)晶狀態(tài)、分子結(jié)構(gòu)及原子間的鍵結(jié)合力等因素有關(guān)，而且與人為規(guī)定的、適用的方法和條件有關(guān)試驗(yàn)方法不同，硬度值也不一樣，人們至今尚未確定，用各種試驗(yàn)方法獲得的硬度，在理論上究竟同材料的物理性質(zhì)有何種確切的量的關(guān)系。事實(shí)上，硬度是一種實(shí)用、有效的技術(shù)參量或工程量，而并不屬于物理量。但硬度計(jì)量是力學(xué)計(jì)量的組成部分，我國已經(jīng)建立了硬度的計(jì)量基準(zhǔn)，組織進(jìn)行了量值傳遞工作?！?