第七节 硬度试验

1. 第七节 硬度试验 • 硬度：表示材料抵抗其他较硬物体的压入能力，是材料软硬程度的有条件性的定量反映。 • 硬度本身不是一个单纯而确定的物理量，而是由材料的弹性、塑性、韧性等力学性能组成的综合指标。 • 通过硬度测量可间接了解高分子材料的其他力学性能，如磨耗、拉伸强度等。 • 对于纤维增强塑料，可用硬度估计热固性树脂基体的固化程度，硬度测试简单、迅速，不损坏试样，有的可在施工现场进行，所以硬度可作为质量检验和工艺指标而获得广泛应用。

2. 硬度测定的方法 • l ）材料耐顶压入能力的硬度：布氏硬度、维氏硬度、努普硬度、巴科尔硬度、邵氏硬度和球压痕硬度等。 • 2）材料抗划痕性的硬度试验：比尔鲍姆硬度和莫斯硬度等。 • 3）材料回弹性的硬度试验：洛氏硬度和邵氏硬度等。 • 从加载方式分为动载法和静载法硬度试验。 • 动载法：弹性回跳法和用冲击力把钢球压入试样的方法。 • 静载法：以一定形状的压头平稳而又逐渐加荷，将压头压入试样，简称“压入法”。 • 如：布氏硬度、洛氏硬度和邵氏硬度的试验方法。 • 硬度大小与测试方法有关。如：硬度计类型、试样的形状以及测试条件等。 • 不同方法的硬度值不可比较。

3. 一、塑料球压痕硬度试验 • 1．试验原理 • 把规定直径的钢球在规定的试验负荷作用下，垂直压入试样表面保持一定时间后，在负荷下测定压痕深度，并求出压痕面积，以单位面积上承受的力来表示硬度大小的试验。 • 测试方法参照标准 GB 3398 － 82 。 • 结果表示：球压痕硬度值按下式计算：

4. 2．试验设备 • 硬度计结构：机架、压头、加荷装置、压痕深度测量指示仪表等组成。 • 压头为直径 5mm的钢球， 淬火抛光，硬度 800Hv ； • 硅码：初负荷为 9.8N ( 1kg ) • 试验负荷： 49N ( 5kg ）、 132N ( 13 .5kg ）、 358N ( 36.5kg ）、 961N ( 98.0kg ) • 计时装置：指示试验负荷全部加入后读取压痕深度的时间，计时量程不小于 60s。

6. 3 ．试样 • 试样尺寸：50mmx50mmx4mm • 或φ50mmx4mm 。 • 每个测量点中心与试样边缘距离不小于 10mm ， • 各测量点中心之间的距离不小于10mm 。 • 厚度不应小于 4mm，均匀、表面光滑、平整、无气泡、无机械损伤及杂质等。

7. 4．操作 • ① 测定各级负荷下的机架变形量 h2。 • 测定时卸下压头，升起工作台使其与主轴接触，加上初负荷，调节深度指示仪表为零，再加上试验负荷，直接由压痕深度指示仪表中读取相应负荷下的机架变形量。 • ② 根据材料硬度选择适宜的试验负荷。 • 装上压头，并把试样放在工作台上，使测试表面与加荷方向垂直接触，无冲击地加上初负荷之后，把深度指示仪表调到零点。 • ③ 在 2～3s 内将所选择的试验负荷平稳地施加到试样上，保持负荷 30s ，读取压痕深度 h1。 • ④要求压痕深度在 0.15 ~ 0 .35mm 的范围内，否则，应改变试验负荷，使达到规定的深度范围。 • ⑤ 数量不少于 2 块，测量点数不少于 10 个。

8. 6．影响因素 • （1）硬度计的偏差产生的影响 • 硬度值随着初负荷的增加而增加； • 在保持初负荷不变的条件下，改变主负荷，结果发现硬度值是随着试验负荷的增加而降低； • 机架变形量对硬度值的影响。在同一试验负荷下，如果机架变形量为 1 μm ，压痕深度越小，硬度的相对误差越大，而在相同压痕深度时，试验负荷越小机架变形的影响越大； • 压痕深度测量装置对硬度值的影响，非常显著，是主要的误差来源。

9. ( 2 ）测试条件和测试操作的影响 • 试样厚度的影响，大多数试样材料的硬度值都随着试样厚度的增加而降低，试样太薄时硬度值不够稳定，厚度大于 4mm 后的数据较为稳定。 • 读数时间的影响，大多数材料试样的硬度均随读数时间的增加而下降。 • 测点距试样边缘距离的影响，试样在成型加工过程中，边缘部分与中间部分受力、受热以及表面平整度等均不相同，测点太靠近试样边缘，将导致硬度值侧试偏差，称为边缘效应。 • 侧点间距离的影响，测点间的距离应有一定大小，否则会造成结果的不准确。

10. 二、洛氏硬度

11. （一） 测试原理 • 用规定的压头对试样先施加初试验力，接着再施加主试验力，保留初试验力，用前后两次初试验力作用下压头压入试样的深度差h＝h3-h1计算出的硬度值。 • 压痕深度h值越大，压入深度越深，材料的硬度值越低；h值越小，压入深度越浅，材料的硬度值越高。 • 洛氏硬度值： • HＲ——洛氏硬度值，无因次数，习惯上称“度” • ｋ——常数，用钢材压头时k=130 • ｃ——常数，约等于0.002 mm

12. （二）测试方法 • 1919年，美国人洛克威尔（Rockwell）提出洛氏硬度试验方法。 • 塑料洛氏硬度试验方法标准有GB/T 9342—1988， • ISO 2039/2—1987和ASTM D785——1989等。 • 塑料洛氏硬度采用较小的负荷、较大的压痕器和大量程结构的硬度计。 • 洛氏硬度标尺：由负荷的大小与压痕器直径组合构成，适用不同硬度材料的试验。

13. 洛氏硬度标尺、负荷、压痕器直径 • 硬度标尺 初负荷（N）总负荷（N）压头直径mm • R 98.1 588.4 12.700±0.015 • L 98.1 588.4 6.350±0.015 • M 98.1 980.7 6.350±0.015 • E 98.1 980.7 3.175±0.015 • 各标尺的洛氏硬度常数取为130。

14. 试验设备 • 洛氏硬度仪：由机架、压头、加力机构、硬度指示器和计时装置组成。 • 压头为维氏度至少是 7 MN / m2的抛光钢球，钢球在轴套孔中能自由滑动，试验时不应有变形。 • 硬度指示器能测量压头压入深度到 0.001mm ，每一分度值等于 0.002mm 。 • 计时装置能指示初试验力、主试验力全部加上时及卸除主试验力后，到读取硬度值时，总试验力的保持时间，计时量程不大于 60s。

15. 测试步骤 • 选定试验标尺，所测的洛氏硬度值应在标尺的50～115之间，并核对主负荷、预负荷及压痕器直径使之与所选标尺相符。 • 将试样放在工作台上，施加初负荷，调整千分表到零点； • 保持10s后施加主负荷，保持15s卸去主负荷（保留初负荷），测量压入深度。 • 结果计算： • （1）按下式计算洛氏硬度值: HR＝130- e • 式中：e——卸去主负荷后的压入深度，每单位为0.002mm • （2）直接用硬度读数盘读取硬度值。 • 洛氏硬度值须在数字前应加上前缀标尺字母。

16. （三）影响因素 • l ）试验仪器的影响 • 机架的变形量超过标准；主轴倾斜；压头夹持方式不正常；加荷不平稳以及压头轴线偏移等。 • 2）测试温度的影响 • 随着测试温度的上升，各种塑料材料的洛氏硬度值都将下降，尤其是对热塑性塑料的影响更为显著。 • 3）试样厚度的影响 • 试样厚度小于 6mm 时，对硬度值的影响较大； • 试样厚度大于 6mm 时对硬度值的影响较小。 • 规定试样厚度不得小于 6mm 。

17. 4）主试验力保持时间的影响 • 塑料属于黏弹性材料，在试验载荷作用下，试样的压痕深度随加荷时间的增加而增加，硬度值随着降低。低硬度材料的影响较高硬度材料的明显。 • 5）读数时间的影响 • 主试验力卸除后，试样压痕将产生弹性恢复，有一定时间，因此卸荷后距读数时间越长，压痕的弹性恢复时间也越长，侧得的硬度值应当偏高。

18. 三、邵氏硬度 • 邵氏硬度又称肖氏硬度，有 A 、 C 、 D 三种型号，其硬度读数分别用 HA 、 Hc 和 HD 表示。 • 我国使用 A 型和 D 型。国家标准为 GB 531 -1983 • 邵氏A 适用于软质的塑料（如软PVC）， • 邵氏D适用于稍硬（但仍较软）的塑料如PE。 • 1．测试原理 • 将规定形状的压针在标准的弹簧压力下，在严格的规定时间内，把压针压入试样的深度转换为硬度值，表示该试样材料的硬度等级，直接从硬度计的指示表上读取。 • 指示表为 100个分度，每一个分度为一个邵氏硬度值。

19. 2．试验设备

20. 硬度计在自由状态时，压针应位于孔的中心，硬度的度指针应指为零度；硬度计在自由状态时，压针应位于孔的中心，硬度的度指针应指为零度； • 压针被压入小孔，其端面与硬度计底面在同一平面时，指针所指刻度应为 100 度。

21. 3．试验步骤 • 试样厚度≥ 6mm ，宽度不≥ 15mm ，长度≥35mm。 • 若试样厚度达不到要求时，可用同样胶片重叠起来使用，但不准超过 4 层，并要求上下两面平行。 • 试样表面光滑、平整，不应有缺陷及杂质等。 • 试验时，把试样置于试样平台上，使压针头在规定的负荷下平稳无冲击地作用于试样上，从硬度计的下压板与试样完全接触15s后立即读数。 • 测量范围为20～90，当试样用邵氏A型硬度计测定，硬度值大于90，应改用邵氏D型进行测量。 • 用邵氏D型测量，硬度值小于20改用邵氏A型，大于90则应考虑用球压痕硬度或洛氏硬度试验方法进行测量。

22. 4.影响因素与讨论 • 试样厚度影响试验结果。试样受到压力后产生变形，受压部分变薄，这样钢球或压针就受到承托试样的金属板或玻璃板的影响，使硬度值增大。 • 如果试样厚度增加，这种影响会相应减小。 • 塑料的硬度也与其它力学性能一样，随温度的升高，硬度降低。热塑性塑料比热固性塑料更为明显。 • 硬度试验时，读数时间对硬度值影响很大。 • 由于塑料受压后产生蠕变，随着时间延长，形变继续发展。因此不同时间读数，所得结果有一定差别。