硬软及硬度试验

施昌彦

硬和软的概念来自于日常生活和生产实践。未成熟的柿子是硬的，熟透的柿子是软的；干燥的土块是硬的，湿润的泥土是软的；玻璃是硬的，木材是软的；钢铁是硬的，滑石是软的。同样是钢材，经淬火和氮化处理后表面就变硬。由此可见，硬和软是有条件的、相对的。
硬度，通俗地说，是固体材料或物品软硬程度的定量表示。严格地说，是固体材料或物品抵抗弹性变形、塑性变形或破坏的能力，或者是抵抗其中两种或三种同时发生的能力。例如，硬度作为矿物的物理性质之一，是矿物抵抗外来机械作用特别是划痕作用的能力；作为材料的机械性能之一，是材料抵抗其它物体(具有一定形状和尺寸的较坚硬的物体)压入其表面的能力。
众所周知，两样物品相互划磨或刻划，在软的物品上、会产生划痕，而硬的物品则纹丝不变。1822年，人们最早即是以这种抵抗划痕破坏的能力，来比较或衡量矿物的硬度:第1级最软的是滑石，第2级次软的是石膏，……第9级次硬的是刚玉，第10级最硬的是金刚石。这就是莫氏刻度或莫氏硬度(Mohs hardness)。显然，第10、9两级之间的硬度差别，要比第2、1两级之间的差别大得多。所以，这种划痕试验不完全是定量的，但对于野外作业的矿物学者来说，不失是一种实用而简便的方法。
这种方法后来被移植到纯金属:钠最软为0.4级，而铜和铁同为4级。不久，又被移植到显微划痕仪:在27.4毫牛(3克力)的力作用下的立方体金刚石，对物品进行划痕，按所得划痕的宽度来计算其硬度。由于划痕方法不甚精确，难以适应材料工业迅速发展和硬度应用领域不断扩大的需要；又由于人们对硬度这个技术参量的认识有所深入，新的试验方法不断出现，如静态压痕和动态回跳为主的硬度试验方法及试验设备，使硬度测量得以逐步改进与发展。现有的硬度标尺已增加到几十种之多。
金属的耐磨性、强度等通常同硬度有关，机器中相互发生摩擦的零件(如轴承中的滚珠与轴瓦)须有足够的硬度。在金属切削加工方面，常按工件材料的硬度来选择刀具及切削速度；在金相热处理方面，常通过硬度试验来检验机械零件热处理后的强度。据统计，一辆4 t载重卡车的发动机有204种零件(不含标准件，下同)，其中107种要测量硬度；一架大型喷气式客机，单是4个发动机的零件就有1.2万多个需测量硬度；常用的机械手表有130多个零件，其中70多个需测量硬度。对于轴承、刀具、钢轨等，几乎100%要进行硬度检验，并以此作为产品是否合格的重要依据。
一般说来，硬度过高，零件易造成脆性断裂或是加工性能不好；硬度过低，则容易磨损或是强度不够。除了金属材料外，橡胶、塑料、木材、皮革、玻璃钢、土壤、水果等，均需测量硬度。例如，果品的硬度值常用于确定果品的采摘时间，以及制定储藏、保鲜、包装与运输方案等；通过测量土壤硬度值，可以了解土壤对种子发芽与根系生长的阻力，以及土壤对农机的承载能力。
由于硬度与强度之间有一定关系，可以通过制定硬度与强度的换算值，使人们有可能以简便、迅速、不破坏零件使用性能的硬度试验，来替代破坏性的、相对费时费力的强度试验，从而大大提高了效率和效益。由于硬度试验简便易行，局部的塑性变形对试件损伤极微，并不影响使用价值，在这个意义上可以认为它是非破坏性试验，所以应用广泛。
硬度试验方法按施加作用力的特性，可分为静力硬度试验和动力硬度试验两大类；按被试材料的特性，可分为金属硬度试验和非金属硬度试验两类。静力硬度试验是在静力作用下，将规定材料与形状的硬质压头，压入被试材料的表面，经过一定的保持时间后卸除该力，然后测量压痕的深度或大小，通过计算、查表或自动显示来获得硬度值。试验时力应平稳地施加到试件表面上，不得有冲击和振动。属于静力试验的有布氏(Brinell)、洛氏(Rockwell)、维氏(Vickers)及显微硬度(Microhardness)试验等，它们多以压痕单位面积上承受的试验力为标志，来表征硬度值。
动力硬度试验是在动力作用下，将规定材料与针状的硬质冲头，冲击被试材料的表面，通过测量冲头回跳高度等参数来获得硬度值。属于动力试验的有肖氏(Shore)、里氏(Leeb)硬度试验等，它们以材料的弹性变形为主要特征。
布氏硬度值HBS(淬火钢球压头)或HBW(硬质合金球压头)，以压痕表面积上的平均压力表示。由于压痕较大，能反映试件较大范围的综合性能，故适用于经退火或正火处理的粗大晶粒的试件，以及铸铁、钢材、有色金属、软合金等；此外，也可应用于电木、塑料等某些非金属材料。洛氏硬度的标尺，按所用压头(金刚石圆锥体或不同直径的钢球)形式和总试验力的不同有15种之多。在常用的A、B、C三种标尺中，HRA适用于硬金属和硬质合金，如碳化钨、渗碳钢等；HRB适用于有色金属和软金属，如软钢、铝合金、铜合金、可锻铸铁及退火钢等；HRC适用于热处理后的结构钢和工具钢，如淬火钢、调质钢等。表面洛氏硬度的标尺也有15种，适用于氮化、氰化、渗碳零件及薄试件表面硬度的测量。
维氏硬度用金刚石正四棱锥体作压头，通过测量压痕两对角线长度，以压痕单位表面积上承受的试验力表示硬度值HV。它适用于金属、合金及其表面层硬度的测量，软硬材料均可，特别适用于试验面积较小、较薄而硬度值又较高的试件，如发条、游丝等的硬度测量。显微硬度是试验力小于1.961～9.807N(0.2～1kgf)的维氏硬度，适用于测量极薄的或特别小的零部件、表面硬化层、镀层及金相组织的硬度，也可用于脆性材料(如玻璃、宝石等)、珐琅质及补牙塑料等。肖氏硬度冲头的顶端为金刚石，冲头从固定高度自由下落到试件表面，由于材料的弹性变形而回跳到某一高度，用这两个高度的比值即可表示硬度值HS。它主要用于轧辊、机床床身、曲轴、大齿轮、螺旋桨叶片等大型工件的现场硬度测量。
由上可知，硬度值的大小不仅取决于材料，而且取决于试验条件和试验方法。换言之，硬度值的获得，不仅与材料的弹性模量、比例极限、塑性、脆性以至结晶状态、分子结构及原子间的键结合力等因素有关，而且与人为规定的、适用的方法和条件有关试验方法不同，硬度值也不一样，人们至今尚未确定，用各种试验方法获得的硬度，在理论上究竟同材料的物理性质有何种确切的量的关系。事实上，硬度是一种实用、有效的技术参量或工程量，而并不属于物理量。但硬度计量是力学计量的组成部分，我国已经建立了硬度的计量基准，组织进行了量值传递工作。●