建筑材料檢測中幾種硬度測試的特點及方法

陳朝暉 （安徽省建筑工程質量第二監督檢測站，安徽 合肥 230031）

1 概述

硬度測試是建筑工程材料檢測中常見的一項質量控制檢測。金屬材料表面抵抗變形或破裂的能力稱為硬度。試驗時對樣品施加外部荷載，通過測量試驗時產生的形變從而確定硬度。硬度到目前為止還沒有統一的檢測和表示方式，有的學者認為硬度是材料抵抗破壞和殘余變形的能力；也有的學者認為硬度是材料抵抗彈性變形和塑性變形的能力。

2 硬度試驗的分類及其特點

2.1 硬度試驗的分類

材料的硬度不僅與其彈性極限、屈服極限、脆性等性能有關，且與材料的一些微觀性能有關，例如分子結構、粒子間作用力和結晶狀態等。硬度值的獲取也與測試的條件和測試的方法有很大關系。隨著當代檢測技術的不斷發展，硬度的測試方法已有很多種，大體上可分為壓入法和刻畫法兩大類。而在建筑工程材料檢測中，壓入法更為常見。通常來說，壓入法的硬度檢測主要是測試試樣抵抗較硬的、具有一定形狀和大小的壓頭壓入其表面的能力。若按施加試驗力的方式不同又可將壓入法分為靜載壓入法和動載試驗法。像我們工程材料檢測中常用到的布氏硬度、維氏硬度、洛氏硬度都屬于靜載壓入法；而像肖氏硬度和里氏硬度均屬于動載壓入法。

2.2 硬度試驗的特點

①硬度試驗是非破壞性試驗，對試樣的損傷微小，一般不影響后續使用；

②硬度檢測的試驗方法簡單便捷，尺寸不同的試樣都可以進行檢測，新型的便攜式硬度計更可以攜帶到現場或者在試件上直接進行測量；

③對于一些不方便切割的試件，如螺母、鋼墊片、錨具、夾片、扳手等一些工具和刀具，在對這些試件做質量檢測時，硬度試驗是唯一可行的試驗方法；

④硬度試驗的操作較為簡單，因此效率高，掌握熟練后，每分鐘可進行多次。因此對重要零部件的檢驗可以達到100%；

⑤硬度值與其他機械性能，如強度極限等有近似的換算關系，有了硬度值就可以間接地了解其他機械性能，又因硬度試驗簡單、快速，可以大幅度提高工作效率，且可對其他機械性能做預判；

⑥硬度試驗屬于理化分析的一種，是常見的材料科學研究的重要手段之一。

總之，硬度試驗是材料機械性能試驗中最為簡單、高效且易于實施的方法，也是確定材料合理的加工工藝、檢驗產品質量的重要方法之一。

3 硬度檢測的發展趨勢

隨著現代工業的發展、生產生活的需要和科學技術的不斷進步，對硬度試驗的要求越來越廣泛，對硬度值測定的準確度要求也越來越高，這樣就促進了功能先進、操作方便、精度更高的硬度計的產生。隨著工業生產自動化、規模化的不斷擴大，加上越來越嚴格的質量控制要求，在工業生產過程中連續的自動測量檢測系統愈發重要，這樣就可以做到在線檢測和實時的質量監控。硬度檢測若能做到在生產過程中進行自動測量，那對產品性能的提高和工藝流程的優化有很大幫助。因此，關注硬度檢測的發展趨勢，不斷提高硬度檢測儀器的先進性，開展硬度的理論研究，保證硬度測試不斷發展是硬度檢測目前發展的主要趨勢。

4 硬度試驗試樣的要求

①進行硬度試驗的試樣表面應光滑平整，不應有污物和氧化表層，更不應有油脂，這樣才能保證試樣表面能進行精確地壓痕測量。

②試樣在制備過程中，應盡可能避免過熱或過冷的加工條件對試樣硬度的影響。

③進行試驗的試樣厚度至少應為壓痕深度的10倍。

5 幾種常見的硬度測試

若在工程材料檢測上沒有使用正確的硬度類型，容易引起試驗數值上的誤差。而在材料檢測判定時，如果對不同硬度測試方法的原理和表示方法不清楚，也容易出現表達錯誤。下文對我站建筑材料上常用的幾種硬度測試的原理、表示方法進行了介紹，以方便讀者更好地進行日常建筑工程材料檢測與技術交流。

5.1 洛氏硬度

洛氏硬度是通過試驗的壓痕深度來確定硬度值的，是如今使用頻率比較高的幾種壓痕硬度試驗之一。大多數壓痕硬度試驗是測量當實驗中的試樣被一種特殊硬度的試驗壓頭施壓時的變形。

對于很多老式的洛氏硬度儀來說，試驗員必須自行操作所有試驗步驟和程序。而現在很多新型洛氏硬度儀能自動地執行整個洛氏硬度試驗。

5.1.1 測試原理

洛氏硬度是以頂角為120°的金剛石圓錐體或者直徑為1.588mm的淬火鋼球作為壓頭，以標準規定的試驗力使其壓入試件表面。試驗時，先加初試驗力，然后加主試驗力。加入試件表面后，卸除主試驗力，在保留初試驗力的情況下，根據試件表面壓痕的深度確定被測樣品的洛氏硬度值。

洛氏硬度值由壓痕的深度大小來確定，壓入的深度越大，硬度值越低；反之，硬度值越高。但一般人們習慣上認為試驗數值越大則硬度值越高。因此試驗計算時用一個常數減去壓痕深度來表示硬度值，且規定壓痕深度增加0.002mm，則增加一個硬度單位。由此獲得的硬度值為洛氏硬度值，用符號HR表示。試驗時洛氏硬度值一般可以從儀器上直接讀出。

5.1.2 表示方法

為了讓洛氏硬度的測量范圍較大，能應用到軟硬不同的材料上，洛氏硬度試驗有三種試驗力和三種壓頭，這樣就分出9種組合，對應于洛氏硬度的9個標尺：HRA、HRB、HRC、HRD、HRE、HRF、HRG、HRH和HRK。這9個標尺可以測定大部分常用的金屬材料，其中HRC這個標尺應用最為廣泛。

洛氏硬度表示時按硬度值、符號（HR）、標尺的順序書寫。例如：28HRC表示用洛氏硬度C標尺測定的硬度值為28。

5.2 布氏硬度

布氏硬度Brinell Hardness（HB）是由瑞典工程師布納瑞（J.A.Brinell）提出，并用他的名字來命名的，故稱布氏硬度。

布氏硬度試驗是所有硬度試驗中壓痕最大的一種試驗方法，它不受試件某些微觀性能和成分不均勻的影響，因此能一定程度上反映出所測材料的綜合性能，也是一種精度較高的硬度測試方法。在一些工業領域，如鍛造、鑄造、冶金和有色金屬行業有廣泛使用，同時在高校實驗室和科研單位也經常使用。布氏硬度尤其適用于一些晶粒大的金屬材料的硬度測定。

5.2.1 測試原理

布氏硬度試驗使用的壓頭是具有一定直徑的硬質合金球（在《金屬布氏硬度試驗第1步：試驗方法》（GB/T231.1-2018）的標準中取消了鋼球壓頭），試驗時用標準規定的試驗力壓入試樣表面，經標準規定的保持時間后卸除試驗力，測量試樣表面壓痕直徑，布氏硬度值暨試驗力除以壓痕表面積的商。

5.2.2 表示方法

日常書寫中，在布氏硬度符號（HBW）前面注明硬度值，符號后面寫清試驗條件，即壓球直徑、試驗力和保持時間，采用規定的保持時間（10～15s）則不用標注。例如：215HBW15/800/20，表示用直徑15mm的硬質合金球，在800kgf（7845N）試驗力的作用下，保持20s時的布氏硬度值為215，一般簡寫為215HBW。又如：215HBW15/800，表示用直徑15mm的硬質合金球，在800kgf（7845N）試驗力的作用下，保持10～15s時的布氏硬度值為215，10～15s為標準時間，不用標注，一般簡寫為215HBW。這是工程材料檢測中常見的表示方法。

5.3 維氏硬度

維氏硬度（Vickers-hardness）也是表示材料硬度的一種方法，是由英國科學家維克斯首先提出。因此用他的名字命名。

比起其他硬度試驗其優點有：①硬度值與壓頭大小、負荷值無關；②無須根據材料軟硬變換壓頭；③試驗時測量的正方形壓痕輪廓邊緣清晰，便于測量。維氏硬度幾乎被應用于所有金屬材料，且是如今應用最廣泛的硬度方法之一。維氏硬度試驗時，可以用低壓力和小壓痕得到可靠的試驗值，因此能減少材料的破壞。這種特點使維氏硬度可以用于較薄材料的硬度檢測中，這一點上維氏硬度要優于布氏硬度。而在硬度不高的同一均勻材料上，維氏硬度和布氏硬度試驗得出的數值較為相近。

5.3.1 測試原理

維氏硬度（HV）以120kg以內的載荷和頂角為136°的金剛石方形錐壓入材料表面，用載荷值除以材料壓痕凹坑的表面積，即為維氏硬度值。

5.3.2 表示方法

日常書寫中，在維氏硬度符號（HV）前面注明硬度值，符號后面寫清試驗力和保持時間，采用規定的保持時間（10～15s）則不用標注。例如：750HV20/30表示用20kgf（196N）試驗力，保持30s測定的維氏硬度值為750，一般簡寫為750HV。又如750HV20表示用20kgf（196N）試驗力，保持10～15s測定的維氏硬度值為750，10～15s為標準時間，不用標注，一般簡寫為750HV。這是工程材料檢測中常見的表示方法。

6 結語

隨著科學技術的不斷發展，硬度測試的方法已有很多種。縱觀硬度檢測方法相較于其他質量檢測，操作都較為簡單、高效，且所測試件不破壞。硬度測量日后的發展重點主要在實現在線化和智能化；其次要加強顯微硬度測量技術研究，探索微觀尺度下硬度的測量方法，開發相關儀器設備，這樣所測出的硬度更接近其結構本身，且更為精確。隨著建筑工程材料檢測的要求越來越嚴格，對硬度測量技術進一步研究具有十分重要的意義，作為檢測單位，也會提供自己的力量。