硬軟及（jí）硬度試驗

施昌彥（yàn）

    硬和軟的概念來自於日常生活和生產實踐。未成熟的柿（shì）子是硬的（de），熟透的柿子是軟的；幹燥的土塊是（shì）硬的，濕潤（rùn）的泥土（tǔ）是軟的；玻璃是硬的，木（mù）材是軟（ruǎn）的；鋼鐵是硬的，滑（huá）石是（shì）軟的。同樣是鋼材，經淬火和氮化處理後表麵就（jiù）變硬（yìng）。由（yóu）此可見，硬和軟是有條件的、相對的。
    硬度（dù），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（huò）物品抵抗彈性變（biàn）形、塑性變形或破壞的能力（lì），或者是抵抗（kàng）其中兩種或三種同時發生的能（néng）力（lì）。例如，硬度作為礦物的物理性質之（zhī）一，是礦物抵抗外來機械作用特別是劃痕作用的能力；作（zuò）為（wéi）材料的機械性（xìng）能之一，是材料抵抗（kàng）其它物體(具（jù）有一定形狀和尺寸的較堅硬的物（wù）體)壓（yā）入其表麵的能力。
    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（wén）絲不變。1822年，人們（men）最（zuì）早即是以這種抵抗劃（huá）痕（hén）破壞的能力，來比較或衡量礦物的硬度:第（dì）1級最軟（ruǎn）的是滑石，第（dì）2級次軟的是石膏（gāo），……第9級次硬的是剛玉，第10級最硬的是（shì）金（jīn）剛（gāng）石（shí）。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（bié）大得多。所以，這種劃痕試驗（yàn）不完全是定量的，但對於野外作業的礦（kuàng）物學者來說，不失是一種實用而簡便的方法。
    這種方法後來被移植（zhí）到純金（jīn）屬:鈉（nà）最軟（ruǎn）為0.4級，而銅和鐵同為4級。不久，又被移植到顯微（wēi）劃痕儀:在27.4毫牛(3克力)的力作（zuò）用下的立方體金剛石，對物品進行劃痕，按所得（dé）劃（huá）痕的寬度來計算其硬度。由（yóu）於劃痕（hén）方法（fǎ）不甚精確，難以適應材料工業迅速發展（zhǎn）和硬度應用領域不斷（duàn）擴大的需要；又由（yóu）於人們對硬度（dù）這個技術（shù）參量的認識有（yǒu）所（suǒ）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（dù）標尺已增加到幾十種之多。
    金屬（shǔ）的耐磨性、強度等通常同硬度有關，機（jī）器中相互（hù）發生（shēng）摩擦的零件(如軸承中的（de）滾珠（zhū）與軸瓦（wǎ）)須有足夠的硬度。在金屬切削加（jiā）工方麵，常按工件材料的硬度來選擇（zé）刀具及切（qiē）削速（sù）度；在金（jīn）相熱處理方（fāng）麵，常通過硬度試（shì）驗來檢驗機械零件熱（rè）處理後的強度（dù）。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（yī）架大型噴氣式客機，單是4個發動機的零（líng）件就（jiù）有1.2萬多個需測量（liàng）硬度；常（cháng）用的機械手表有130多（duō）個零件，其中70多個需測量硬度。對於軸承、刀具、鋼軌等，幾乎100%要進行硬度檢驗，並（bìng）以此作為產品是否合格（gé）的重要依據。
    一般（bān）說來，硬度過高，零件易造成脆性斷（duàn）裂或是加（jiā）工性能不好；硬度過低，則容易（yì）磨（mó）損或是強度不夠。除了金屬材料外，橡膠、塑料、木（mù）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（yòng）於確定果品的采摘時間，以及製定儲藏、保鮮、包裝與運輸方案等；通過測量（liàng）土壤（rǎng）硬度值，可以了解土壤對種子發芽與根係生長的阻力，以（yǐ）及土壤對農機的承載能力。
    由於硬度與強度之間有一定關（guān）係，可以通過製定硬度與強度的換算值，使人（rén）們有可能以簡便、迅速、不破壞零件使用性能的硬度（dù）試驗，來替代破壞（huài）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。由於硬度試驗（yàn）簡便易行，局部的塑性變形（xíng）對試件（jiàn）損傷極微，並不影響使用價值，在這個意義上可以認為它是非破（pò）壞性試驗，所以應用廣泛。
    硬度（dù）試驗方法按施加作用力的（de）特性（xìng），可分（fèn）為靜力硬度試驗和動力（lì）硬度試驗兩大類；按被試材料的特性，可分為（wéi）金（jīn）屬硬度試驗和非金（jīn）屬硬度試驗兩類。靜力硬度試驗（yàn）是（shì）在靜力作用下，將規定材料與形狀的硬質壓頭，壓入被（bèi）試材料的表麵（miàn），經過一定的保持時間後卸除該力，然後測量壓痕的深（shēn）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麵上，不得有衝擊和（hé）振動。屬於靜力試驗的有布（bù）氏（shì）(Brinell)、洛氏(Rockwell)、維氏(Vickers)及顯微硬度(Microhardness)試驗等，它們多以壓痕單位麵積上承受的試（shì）驗力（lì）為標誌（zhì），來表征硬度值。
    動力硬度試驗是在動力作用下，將規（guī）定材料與針狀的硬質衝（chōng）頭，衝（chōng）擊被試材（cái）料的表麵，通過測量衝頭回跳高度等參數來獲（huò）得硬度值（zhí）。屬於動力試驗的有肖氏(Shore)、裏氏（shì）(Leeb)硬度試驗等，它們以材（cái）料的彈性變形為主要（yào）特征。
    布氏硬度值HBS(淬火鋼球壓頭)或（huò）HBW(硬質合金（jīn）球壓頭)，以壓痕表麵積上的平均壓力表示。由於壓痕較大，能反映試件較大範圍的綜合性能，故適用於經退火或正火（huǒ）處理的粗大（dà）晶（jīng）粒的試件，以及鑄鐵、鋼材、有色金屬（shǔ）、軟合金等；此外，也可（kě）應用於電木、塑料等某些非金屬材料。洛（luò）氏硬度的標尺，按所用（yòng）壓頭(金剛石圓錐體或不同直徑的鋼球)形式和總試（shì）驗力的不同有（yǒu）15種之多。在常用的A、B、C三種標尺中，HRA適用於硬金屬和硬質合金，如碳化鎢、滲碳鋼等；HRB適用於有色金屬和軟金屬，如軟鋼、鋁合金、銅（tóng）合金、可鍛鑄鐵及退火鋼等；HRC適用於熱處理後的結構鋼和工具鋼，如淬（cuì）火鋼、調質鋼等。表麵洛氏硬度的標尺也有15種，適用於氮化、氰化、滲碳零件及薄試件表麵（miàn）硬度（dù）的測量。
    維氏硬度（dù）用金（jīn）剛石正四棱錐體作壓頭，通過測量壓痕兩對角線長度，以壓痕單位表麵（miàn）積（jī）上承受的試驗力表示硬度值HV。它適用（yòng）於金屬、合金及其表麵層硬度的測量，軟硬材料均（jun1）可，特（tè）別適用於（yú）試驗麵積較小、較薄而（ér）硬度值又較高的試件，如發條、遊絲等的硬度測量。顯微硬度是試驗力小於（yú）1.961～9.807N(0.2～1kgf)的維氏（shì）硬度，適用於測（cè）量極薄的或特別小（xiǎo）的（de）零部件、表麵硬（yìng）化層、鍍層及金相組織的硬度，也可用於脆性材料(如玻璃、寶石等)、琺琅質及補牙塑料等。肖氏硬度衝（chōng）頭的頂端為金剛石，衝（chōng）頭從固定高度自由下落到試件表麵，由於（yú）材料的（de）彈性變形而回跳到（dào）某一高度（dù），用這兩個高度的比值即可表示硬度值HS。它主要用於軋輥、機床（chuáng）床身、曲軸、大齒輪、螺旋槳葉片等大型工件（jiàn）的現場硬度（dù）測量。
    由上可知，硬度（dù）值的大小不僅（jǐn）取決（jué）於材料，而且取決於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（jié）構及原子間的鍵結合力等因素有關，而且與人為（wéi）規定（dìng）的、適用的方法和條件有關試驗方法不同（tóng），硬度（dù）值（zhí）也不（bú）一樣，人們至（zhì）今尚未確定，用（yòng）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（hé）種確切的量的（de）關係。事實上，硬度是一種實用、有效的（de）技術參量或工程量，而並不屬（shǔ）於物理量（liàng）。但硬度計量（liàng）是力學計量的組（zǔ）成（chéng）部分（fèn），我國已經建立了硬（yìng）度的計量基準，組織進（jìn）行了量值傳遞工作。●