硬度測試與硬度測試方法

大約在1900年，Martens 提出了以下對於硬度測試定義：“硬度是一個物體對另一個較硬物體的抗壓痕強度。”這個簡單精確的定義已在學術界佔有一席之地，並在今天仍與當時一樣被認定。技術硬度是一種用來描述材料或材料狀態的機械特性。

硬度不能直接測出，但可以透過主要測量變量所得出（如測試負載、壓痕深度、壓痕面積）。根據測試方法，硬度值由以下之一所測定：

測試負載和表徵壓痕硬度的幾何值之一（例如壓痕深度）
僅透過長度表徵壓痕
透過不同的材料反應（例如抗刮傷性）

硬度定義硬度取決於什麼？硬度測量硬度測試目標硬度測試方法總覽靜態及動態硬度測試方法常見標準負載範圍的分類負載應用的變化歷史

詳細資訊請參閱：

硬度計及硬度測試

硬度的定義

硬度是材料（試樣）對另一個較硬的物體（壓頭）機械壓痕的機械抵抗力。
最硬的天然材料是金剛石，用於壓頭（工業金剛石）。
硬度的定義不同於強度的定義，強度是材料抵抗變形和分離的能力。

硬度取決於什麼？

硬度不是材料的基本物理特性。但是某些材料會在一定的硬度範圍內移動。硬度會因熱量而改變，這意味著工件在經熱處理後會呈現不同（更高）的硬度值。

並沒有明確定義的硬度值。硬度測試中所測定的硬度值取決於：

選定的測試方法
施加在壓頭上的試驗載荷
壓頭在材料中的時間長度
壓頭的幾何形狀
工件的幾何形狀

硬度是如何被測量的?

施加靜力是金屬硬度測試的主要方法。對壓頭留下的壓痕深度或壓痕尺寸進行測量。針對硬度測試中的靜態方法，深度測量方法和光學測量方法之間存在著差異。

壓痕深度測量法用於測量壓頭在工件上所留下的壓痕深度。 Rockwell 測試法是唯一符合標準的壓痕深度測量法（詳 ISO 6508、ASTM E18）。除此之外，另有非標準化的壓痕深度測量法：布氏 (Brinell) 與維氏 (Vickers) 深度測量 (HBT、HVT)。
光學測量法用於測量壓頭在工件上所留下的壓痕大小。標準化的光學硬度測試方法包括布氏硬度測試 (ISO 6506/ASTM E10)、努氏 (Knoop) 硬度測試 (ISO 4545/ASTM E92、ASTM E384) 與維氏硬度測試 (ISO 6507/ASTM E92、ASTM E384)。
此外，施加動態力測試法也可用於硬度測試。此類測試法的例子包括：里氏 (Leeb) 回彈硬度測試法／里氏硬度測試 (ISO 16589、ASTM A965)，即測量球形壓頭的回彈高度。

硬度測試目的

材料測試領域的硬度測試

今日，硬度測試是機械性材料測試中使用最廣泛的方法之一，尤其是對於金屬而言。
一方面，該測試方法可用於發現與其他材料特性（例如強度、剛度、密度）或特定應力下材料行為（例如耐磨性）的定性關係。
另一方面，硬度測試是一種相對容易和快速執行的方法；它造成的破壞相對較小，即試樣表面僅留下輕微的表面損傷。
它還提供了品質控管的選項（進貨和出貨檢驗）。還可以使用硬度測試方法測試各種幾何形狀的試樣。

硬度測試任務和目標

硬度測試是區分材料以及在基礎研究（材料科學、材料工程、材料診斷學）框架內分析、開發和改進材料和技術的重要輔助工具。
它用於測定特性值（硬度值），這些特性值對於材料在工業應用中的使用（材料對技術相關組件的適用性）、質量保證範圍內的控製過程的驗收（進貨和出貨）至關重要貨物檢驗），用於區分材料（例如，混合材料）和澄清損壞情況（損壞分析）。

硬度測試方法總覽

硬度測試方法
靜態力施加			動態力施加
將帶有硬質金屬球或圓錐/金剛石金字塔的壓頭垂直壓入放置在固體支撐物上的試樣表面。測試負載是在規定的應用和暴露時間下無衝擊地施加的。			施加動態力的方法主要用於大型組件的硬度測試。
壓痕的光學測量壓痕是在去除工作負載後測量的。長度測量值（對角線、直徑）被用於計算硬度值。	深度測量方式壓痕深度是在測試負載下或移除附加測試負載後測量的。		能量測量測量衝擊和回彈速度（或高度）。
Vickers HV Brinell HBW Knoop HK	恆定測試負載下的測量儀器化壓痕測試 Martens HM 球壓痕硬度：根據維氏 HVT 修正方法	移除額外測試負載後的預負載測量值 Rockwell (A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T, W, X, Y) 洛氏（R、L、M、E、K、alpha）根據布氏 HBT 修改的測試法	Leeb HL 回彈硬度（如：Sklerograph）

靜態與動態硬度測試方法的差異

原則上，硬度測試方法一般用於科技領域，並分為靜態與動態施力測試法。

若主要用於金屬硬度測試的靜態測試法，會慢慢增加測試負載。這意味著力量是在其中一項標準（詳圖）所指定的最低時限內穩定增加，不會有突發動作。
另一方面，動態測試法則是透過突然對試樣施以衝擊力所進行的負載測試。

金屬靜態硬度試驗方法的鑑別標準

金屬硬度測試主要採用靜態力施加方法。可以根據以下標準進行區分：

壓頭形狀（球形、棱錐形或圓錐形）
壓頭材料（硬化鋼、硬金屬或金剛石）
施加在試樣上的試驗載荷的大小
評估方法：測量由壓頭產生的壓痕深度（深度測量法）或壓痕尺寸（光學測量法）。

硬度測試的常用標準

金屬硬度測試是根據以下常見的靜態方法進行的，這些方法在以下列出的標準（ISO 與 ASTM）中有定義：

測試方法	ISO	ASTM
布氏	ISO 6506	ASTM E10
維氏	ISO 6507	ASTM E92, ASTM E384
洛氏	ISO 6508 DIN 50103	ASTM E18
Rockwell 方法中的 Jominy 測試／Jominy 端部淬火測試	ISO 642	ASTM A255
努氏	ISO 4545	ASTM E92, ASTM E384
Leeb 硬度測試 (rebound 硬度測試方法)	ISO 16589	ASTM A965

以下測試方法用於橡膠彈性聚合物與彈性體的硬度測試：

邵氏硬度	ISO 7619-1	ASTM D2240
球壓痕硬度：	ISO 2039-1
洛氏	ISO 2039-2	ASTM D785
儀化式硬度測試	ISO 19278 (草案)

各負載範圍的硬度測試類別

在硬度測試領域中，會根據用途使用不同的主要負載（試驗力）。視主要負載在硬度測試期間被施力至試樣的高度，在 ISO 的範疇中，測試分為微負載、低負載或大負載硬度測試。

在宏觀負載範圍中（傳統硬度測試範圍），會使用≥ 5 kgf 的大型測試負載 進行測試，這也會導致在試件上產生較大的硬度壓痕。宏觀負載範圍的硬度測試法包括布氏、維氏與洛氏。
低負載範圍硬度測試適用於落在 0.2 kgf 到 5 kgf 區間的測試負載（測試負載 ≥ 0.2 kgf 且 < 5 kgf）。最常用的低負載方法是維氏法。低載荷硬度測試主要用於小零件、厚塗層和低硬度材料的測試。
< 0.2 kgf 的小型測試負載會在試件上留下小型壓痕，一般用於微觀負載硬度測試（最常用的測試法：Vickers 維氏)因此，微觀硬度測試可用於測定薄塗層的硬度，或如單個微晶體或夾雜物的硬度。

硬度測試 - 負載應用的變化

砝碼恆載荷

過去硬度測試機的測試力量是透過使用砝碼恆載荷執行。這意味著通過直接作用的質量施加特定的測試力。試驗力通常可透過槓桿機構或改變砝碼來調節。
對於不同深度的方法（例如，洛氏），預載荷和主載荷是通過耦合主載荷的附加重量來施加的。
具有這種結構的恆載系統通常帶有阻尼元件，以便能夠在沒有衝擊的情況下施加測試力。即便如此，由於系統類型的原因，無法避免測試力的過衝。此外，振動和衝擊對硬度測量的影響相對較大。

帶彈簧的恆載

某些硬度測試機，尤其是手提系統會使用搭載彈簧系統的恆載荷施加試驗力。這意味著特定的測試力不是通過直接作用的質量施加的，而是通過彈簧施加的，因此力保持恆定且不能改變。與直接作用的質量（重量）相比，該系統的優勢在於它對振動並不敏感。

閉環控制

通常，閉環控制系統用於使指定的物理量（控制變量r）達到所需值（設定值s）並通過測量和調整實際值（i）將其保持在該水平。閉環會持續不斷地執行測量、比較與調整。

更多有關閉環控制系統的資訊

帶閉環控制的恆載

透過閉環控制的恆載荷之施力結合這兩種技術。在此情況下，部分試驗力會使用直接作動的質量施加，其餘試驗力則是以閉環控制系統施加。恆載荷主要用於非常低的試驗力，以可靠地滿足極低的公差極限。

硬度測試的歷史

1722: R. A. Réaumur 開發了一種使用鋼材刮擦礦物表面的方法。
1822: 發明了用於礦物測試的莫氏硬度計。這是一個十點划痕硬度標度，其中每種材料都可以使用下一種更硬的材料進行划痕。莫氏硬度值
今天仍在礦物學中使用，但不適用於測定技術材料（金屬）的硬度。各個硬度台階都比較大，間隔也不同。

莫式硬度	礦物種類	維氏硬度 (HV)
1	滑石粉	2 HV
2	石膏	35 HV
3	方解石	100 HV
4	螢石	200 HV
5	磷灰石	540 HV
6	正長石	800 HV
7	石英	1,100 HV
8	黃玉	1,400 HV
9	剛玉	2,000 HV
10	鑽石	10,000 HV

1900: J. A. Brinell 開發了一種球壓痕測試，後來被稱為 Brinell 布氏方法。
1920: S. R. Rockwell 開發了以他的名字命名的預加載方法來測試他的船隻。
1925: 維氏法是由英國的 R. Smith 和 G. Sandland 發明的。它允許了顯微硬度測試的實行。
1939: F. Knoop、C. G. Peters 和 W. B. E. Emerson 在美國國家標準局發明了努氏測試法。