1 简介
在工程领域中，材料的硬度对于结构件能否长期稳定地发挥其作用至关重要。材料表面在外物冲击下抵抗变形的能力是衡量各种材料硬度的指标。一般来说，材料表面抵抗硬物在其表面局部区域压力的能力称为硬度。由于测试方法不同，硬度标准也不同。这里我们简单介绍各种硬度标准的力学意义，并着重为读者介绍显微硬度的测试原理和应用。
硬度类型
硬度是衡量材料硬度或软度的力学性能。在力学定义中，硬度是指材料抵抗其表面局部变形的能力——即抵抗较硬的物体压入其表面的能力。硬度更直观的感受体现在物体表面的塑性变形、压痕或划痕。硬度值是材料硬度的重要指标。常见的硬度测量标准有布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）和维氏硬度（HV）。
布氏硬度
布氏硬度计最早由瑞典工程师JA布林涅尔于1900年提出，在机械和冶金工业研究中得到了广泛的应用。如图1所示，布氏硬度测量标准是将直径为D的钢球在规定的载荷下压入被测物体表面并保持一定时间，然后用载荷力P与压痕面积F的比值（P/F）来判断材料的硬度，以HB表示。测试布氏硬度时，不同的试样（材质、尺寸）应使用不同规格的钢球。如果要使不同直径的钢球在同一种材料上测得相同的硬度，就需要改变载荷值，使压痕保持几何相似。相似条件为：P1/D12=P2/D22。式中P1、P2为载荷力，D1、D2为钢球直径。
图1 布氏硬度试验示意图
布氏硬度试验方法适用于较软的材料，例如有色金属结构件和退火钢板，其最大硬度测量极限为HB450。这是因为太硬的材料会使钢球变形，使测量不准确。为了在测量时获得清晰的压痕，样品必须经过表面处理和研磨。在成品机械零件上进行布氏硬度测量会因压痕过多而影响零件的正常装配和使用性能。因此，布氏硬度试验方法不适用于测试大批量生产的零件。常见的布氏硬度测量规范总结在表1中。
洛氏硬度
洛氏硬度是由美国的SP罗克韦尔于1919年提出的，它是用压痕塑性变形的深度来决定硬度值的指标。它以直径为1.588mm的钢球或顶角为120的金刚石圆锥体压入试样表面后留下的深度来确定材料的硬度值，用HR表示。其测量原理如图2所示。首先，在预紧力P0(98.1N)的作用下，将试样压入深度为h0的位置。h0包括预紧力引起的弹性变形和塑性变形。其次，对试样施加主载荷P1，压头在总载荷(P0+P1)的作用下压入试样。最后，撤去主载荷P1，维持P0，记录此时的压痕深度h1。 由于此时由主载荷P1引起的弹性变形已经消除，所以h0与h1之差（h=h1-h0）即为由主载荷P1引起的塑性变形深度。h越大，试样越软；h越小，试样越硬。
表1 布氏硬度试验规范
图2 洛氏硬度试验示意图
表2 洛氏硬度试验规范
洛氏硬度试验的优点是操作快捷简便，可直接从表盘上读出硬度值。由于负荷很小，可以重复测量较薄工件的硬度。它的缺点是准确度较差，硬度值波动较大。通常应在试样的不同部位进行多次测量，取其平均值作为该材料的硬度值。常见的硬度测量规范总结在表2中。
维氏硬度
维氏硬度试验法最早由英国的和CE于1925年提出。其测试原理与布氏硬度相似，都是利用载荷与压痕面积的关系来确定材料的硬度值，用HV表示。二者的区别在于压在试件表面的压头不同。维氏硬度试验所用的压头为菱形四面锥体。如图3所示，试验时，在一定载荷作用下，将四面锥体压痕压在试件表面，测量压痕对角线长度d，计算出压痕的表面积F。载荷P除以压痕面积F后的数值即为试件的硬度，用符号HV表示。
HV=P/F，F=d2/°
维氏硬度的优点是测量范围广，从很软的材料（几维氏硬度）到很硬的材料（3000维氏硬度），几乎可以测量工业上用到的所有金属材料。但是维氏硬度需要测量对角线的长度，然后计算或者查表才能得到硬度值，比较麻烦。
图3 维氏硬度测量压头和压痕
显微硬度测试方法
显微硬度是金相分析中常用的测试方法之一。它的测试是在维氏硬度的基础上发展起来的，也是用单位压痕面积上所受的载荷来表示材料的硬度值。由于显微硬度压头的尺寸很小，施加的载荷大，在试样上留下的压痕尺度也极其微小（一般为几微米至几十微米），所以对压痕面积的测量必须在显微镜下进行，所以这种方法叫显微硬度试验法。
显微硬度计主要由升降系统、工作台、加载系统、光学系统、电子系统和外壳等组成（图4）。加载系统中的压头是显微硬度计的核心部件，它是一个镶嵌在压头顶端的很小的金刚石圆锥体。根据压头的形状可分为维氏（图5）压头和努氏（图6）压头。前者与维氏硬度压头一样，都是金刚石正四面体压头，这种压头在试样表面留下的压痕是等长、短对角线的；后者采用的金刚石压头是一个对角分别为172°30'和130°的四面体，它在试样表面留下的压痕是菱形，长度与短对角线之比为7.11：1。
图4 上海巨精公司生产的数字显微硬度计
无论压头类型如何，显微硬度的测量值均按下式计算：
HV=常数×试验力/压痕表面积
对于对角面为 136° 的维氏压头，HV = 0.1891·F/d2，其中 F 和 d 分别表示载荷和压痕的对角线长度；
对于对角面为172°30'和130°的努氏压头，HK=139.54·P/L2，其中P为载荷，L为压痕对角线长度。
图5 维氏金刚石压头显微硬度测试
图 6 努氏金刚石压头显微硬度测试
显微硬度测试的优点和缺点
优点：显微硬度试验是真正的无损检测，得到的压痕小，压痕深度浅，在试件表面留下的痕迹可以忽略，因此适用于各种零件及成品的硬度检测。兼容性强，可用于测试脆性材料或零件的硬度，不会造成破损。通过对试件进行深入的硬度检测，可以获得丰富的组织信息，并能确定电镀、氮化、氧化或渗碳层的厚度。试验精度高，得到的压痕呈棱柱状，轮廓清晰，可以高精度地测量对角线长度。
缺点：试件尺寸不能太大；若要了解材料或零件的硬度，必须对试件进行多点硬度试验；试件表面质量要求高，特别是表面粗糙度必须在RA0.05以上；试验环境要求高，特别是需要有严格的防振措施。
影响显微硬度测试的因素
1、测量误差：主要由荷重测量误差△F和压痕测量误差△2d引起，其误差可按下式计算：
△HV= HV（（△F/F）+（△2d/d））
测量误差属于静态误差，与操作过程和仪器精度密切相关。
2、试样表面状况：被测试样的表面状况直接影响结果的可靠性。测量显微硬度的试样的制备与普通金相试样相同。在研磨和抛光过程中，应尽可能避免表面产生轻微塑性变形而引起的加工硬化。
3、加载位置：压痕在被测晶粒上的位置以及被测晶粒的厚度对显微硬度值均有影响。选择测量对象时，应选择截面较大的晶粒，因为截面较小的晶粒厚度可能较薄，测量结果可能受晶界或相邻第二相的影响。
4、试验载荷：原则上，为保证测量的准确性，试验载荷应尽可能大，压痕尺寸必须与晶粒尺寸成比例。测量软基体上的硬点时，测量点的横截面直径必须是压痕对角线长度的4倍，否则可能得到不准确的测量数据。另外，测量脆性相时，高载荷可能引起“压溃”，导致硬度值不准确。
5、载荷施加速度及保持时间：硬度定义中的载荷是指静态意义，但实际上所有硬度试验中的载荷都是动态的，是以一定的速度施加于试件上的。由于惯性的作用，加载机构会产生一个附加载荷，使硬度值变低。为了消除这个附加载荷的影响，载荷应尽可能平稳、缓慢地施加。
塑性变形是一个需要一定时间才能完成的过程，只有载荷维持足够长的时间，用压痕对角线长度测得的显微硬度值才会更接近材料的真实硬度值。
显微硬度测试的应用
显微硬度试验不仅用于测量金属材料，也可用于测量非金属材料，可作为工序检验的手段，也是金相组织研究、材料科学研究不可缺少的技术指导，其常见应用领域有：
1.用于过程检验。主要用于测量零件小件、薄件、成品、半成品及特殊部位的硬度，如轴尖、薄板、叶片等。
2、用于金相学、金属物理学。通过观察压痕的形状，可以研究金属各相的塑性和脆性。还可辅助分析金属的结构、成分和晶体性质。
3.用于材料科学。研究新合成材料组分的性能，如材料在不同温度下或经过不同工艺处理（氮化、氧化、碳化）后的性能；
4、非金属材料的测定。如玻璃、玛瑙、磨料、矿物、陶瓷等脆性结构件的硬度测定。这是用其它硬度试验方法难以解决的测量项目。
5、晶粒内部不均匀性的研究。由于显微硬度对化学成分不均匀的相具有比较灵敏的识别能力，因此常用它来研究分析晶粒内部的不均匀性。例如，通过测量合金中固溶体枝晶的偏析，可得到晶粒不均匀性与成分、状态的关系，从而为控制和消除偏析提供数据。
参考
1.范新民（主编）.表面处理实用技术手册.南京:江苏科技出版社,2003.06:554~555
2.肖泽新,陈义高（主编）.现代金相显微分析与仪器.西安:西安电子科技大学出版社,2015.05:121~122
3.蔡宏伟，主编.金属材料金相检验.北京:科学普及出版社，2015.02:86~90
4. Li H, Bradt R C. 和中的载荷/尺寸[J]. ，1993，28（4）： 917-926。
5. Li H, Bradt R C. 和中的载荷/尺寸[J]. ，1993，28（4）： 917-926。