硬軟及硬度試驗

施昌彥

    硬和軟的概念來自于日常生活和生產實踐。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發生的能力。例如，硬度作為礦物的物理性質之一，是礦物抵抗外來機械作用特別是劃痕作用的能力；作為材料的機械性能之一，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、會產生劃痕，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級最軟的是滑石，第2級次軟的是石膏，……第9級次硬的是剛玉，第10級最硬的是金剛石。這就是莫氏刻度或莫氏硬度(Mohs hardness)。顯然，第10、9兩級之間的硬度差別，要比第2、1兩級之間的差別大得多。所以，這種劃痕試驗不完全是定量的，但對于野外作業的礦物學者來說，不失是一種實用而簡便的方法。
    這種方法后來被移植到純金屬:鈉最軟為0.4級，而銅和鐵同為4級。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，對物品進行劃痕，按所得劃痕的寬度來計算其硬度。由于劃痕方法不甚精確，難以適應材料工業迅速發展和硬度應用領域不斷擴大的需要；又由于人們對硬度這個技術參量的認識有所深入，新的試驗方法不斷出現，如靜態壓痕和動態回跳為主的硬度試驗方法及試驗設備，使硬度測量得以逐步改進與發展。現有的硬度標尺已增加到幾十種之多。
    金屬的耐磨性、強度等通常同硬度有關，機器中相互發生摩擦的零件(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，常通過硬度試驗來檢驗機械零件熱處理后的強度。據統計，一輛4 t載重卡車的發動機有204種零件(不含標準件，下同)，其中107種要測量硬度；一架大型噴氣式客機，單是4個發動機的零件就有1.2萬多個需測量硬度；常用的機械手表有130多個零件，其中70多個需測量硬度。對于軸承、刀具、鋼軌等，幾乎100%要進行硬度檢驗，并以此作為產品是否合格的重要依據。
    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間，以及制定儲藏、保鮮、包裝與運輸方案等；通過測量土壤硬度值，可以了解土壤對種子發芽與根系生長的阻力，以及土壤對農機的承載能力。
    由于硬度與強度之間有一定關系，可以通過制定硬度與強度的換算值，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，來替代破壞性的、相對費時費力的強度試驗，從而大大提高了效率和效益。由于硬度試驗簡便易行，局部的塑性變形對試件損傷極微，并不影響使用價值，在這個意義上可以認為它是非破壞性試驗，所以應用廣泛。
    硬度試驗方法按施加作用力的特性，可分為靜力硬度試驗和動力硬度試驗兩大類；按被試材料的特性，可分為金屬硬度試驗和非金屬硬度試驗兩類。靜力硬度試驗是在靜力作用下，將規定材料與形狀的硬質壓頭，壓入被試材料的表面，經過一定的保持時間后卸除該力，然后測量壓痕的深度或大小，通過計算、查表或自動顯示來獲得硬度值。試驗時力應平穩地施加到試件表面上，不得有沖擊和振動。屬于靜力試驗的有布氏(Brinell)、洛氏(Rockwell)、維氏(Vickers)及顯微硬度(Microhardness)試驗等，它們多以壓痕單位面積上承受的試驗力為標志，來表征硬度值。
    動力硬度試驗是在動力作用下，將規定材料與針狀的硬質沖頭，沖擊被試材料的表面，通過測量沖頭回跳高度等參數來獲得硬度值。屬于動力試驗的有肖氏(Shore)、里氏(Leeb)硬度試驗等，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，也可應用于電木、塑料等某些非金屬材料。洛氏硬度的標尺，按所用壓頭(金剛石圓錐體或不同直徑的鋼球)形式和總試驗力的不同有15種之多。在常用的A、B、C三種標尺中，HRA適用于硬金屬和硬質合金，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構鋼和工具鋼，如淬火鋼、調質鋼等。表面洛氏硬度的標尺也有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，特別適用于試驗面積較小、較薄而硬度值又較高的試件，如發條、游絲等的硬度測量。顯微硬度是試驗力小于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)、琺瑯質及補牙塑料等。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，用這兩個高度的比值即可表示硬度值HS。它主要用于軋輥、機床床身、曲軸、大齒輪、螺旋槳葉片等大型工件的現場硬度測量。
    由上可知，硬度值的大小不僅取決于材料，而且取決于試驗條件和試驗方法。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、脆性以至結晶狀態、分子結構及原子間的鍵結合力等因素有關，而且與人為規定的、適用的方法和條件有關試驗方法不同，硬度值也不一樣，人們至今尚未確定，用各種試驗方法獲得的硬度，在理論上究竟同材料的物理性質有何種確切的量的關系。事實上，硬度是一種實用、有效的技術參量或工程量，而并不屬于物理量。但硬度計量是力學計量的組成部分，我國已經建立了硬度的計量基準，組織進行了量值傳遞工作。●