碳素钢硬度试验

硬 度 試 驗

陳士 教授編撰

壹、概說

硬度試驗是測試材料機械性質中極常用且最簡易及方便，然而也可能是定義最不明確的。一般而言，硬度意味著材料對於塑性變形的抵抗能力，但仍有許多其它的定義，現有數種不同硬度之定義為基礎而設計分類的，亦是我們如今所通用的。

1. 受靜力或動力作用時產生殘留變形之永久壓痕抵抗者，謂之壓痕硬度例如：勃氏、洛氏、維氏等型式之硬度試驗。

2. 對於衝擊荷重之能量吸收之程度者謂之反跳硬度，例如：蕭氏硬度試驗。 3. 對於刮（劃）痕之抵抗謂之刮痕硬度，例如：莫氏、麻田劃痕及銼磨試驗等。 4. 對於磨損之抵抗謂之磨耗硬度，例如：磨耗試驗等。

5. 對於切削或鑽削之抵抗謂之切削硬度或切削性，例如：切削硬度試驗等。

貳、硬度試驗之應用範圍

1. 同類材料可依硬度值之不同而分類檢別，並指定某種硬度之材料可供某項用途。但頇注意者為硬度不能像抗拉強度可以直接應用於設計上。

2. 因屬於非破壞性試驗，故常用於材料及產品之品質管制，包括金屬之材質是否均勻、熱處理及表面硬化與常溫加工等之是否適當等。

3. 訂定硬度與抗拉強度之關係，因為簡單之硬度試驗常可概略測知材料之抗拉強度。（如圖一）

圖一、鋼料抗拉強度與硬度之一般關係

大多數之硬度試驗皆能以如表一之方式來分類。

表一、各種硬度試驗之分類

參、實驗部份

勃氏硬度試驗（Brinell Hardness Test）

一、實驗目的

利用Brinell 硬度試驗機測定金屬材料之勃氏硬度值（H B ）。

二、實驗設備與材料

1. 勃氏硬度試驗機 2. 測微顯微鏡 3.HB 硬度表 4. 試片

三、實驗原理

勃氏硬度機如圖二所示，其原理乃藉一標準硬質鋼球（通常其硬度值為

圖三、勃氏硬度機

BHN450），用一定荷重壓入試件表面，使試片形成球面之壓痕，產生塑性變形，此時所加之荷重P 除以球面壓痕之表面積，所得之商謂之勃氏硬度值，一般用H B 或BHN 表示之。各種材料因軟硬不同，使用的荷重P 及鋼球直徑Ｄ之關係可由表二查知，施壓時間以能產生充份塑性變形為原則，一般對鋼鐵等較硬材料施壓15~30秒，對銅鋁等較軟金屬則施壓60秒。壓力除去後，取出試片，用測微顯微鏡量取試片凹痕直徑，讀至0.05 mm，則勃氏硬度值H B 可推導如下：

P 2P H B ==

A πD (D -D -d

因H B =

P P = A πDt

D -D 2-d 2

而t=

2P 2P

故H B ==

A πD (D -D 2-d 2

若以深度計量取凹痕深度ｔ，則ＨB =

P P = A πDt

但因表面凹痕邊緣常隆起或陷下，故不準確，大都採用

P 2P ＨB == 式中，BHN(HB ) ：勃氏硬度(Kg/mm2) 但常不附單位。

22A πD (D -D -d P=負荷(kgf)其範圍有100、250、500、750、1000、1500、2000、2500、3000 kgf。 D=鋼球直徑(mm)，通常有用10 mm、5 mm公差應在±0.005以內。

d=壓痕平均直徑(mm)，目視公差頇在0.02 mm內。 t=壓痕深度，通常不直接量度。

四、實驗方法

1. 準備試片，表面挫平以砂紙磨光並去油質。 2. 對試樣之性質作精確之荷重選定（如表二），將試片平整置於試座上，擺置之位置應適宜（如前所述）使不受鄰近壓痕之影響。

3. 用手輪將試座升至與鋼球接觸為止，關閉釋壓閥，利用加壓桿，徐緩的將壓力升高至預定數值，砝碼不得升高超過1/2吋以上。壓力維持30~60秒後，慢慢打開釋壓閥使荷重降為零。

4. 轉動手輪將試座降下，取出試片。如為電動式試驗機具以上均為自動。

表二、各種材料試驗荷重P 及鋼球直徑D 之關係

5. 每一試片至少頇作五次試驗，利用測量顯微鏡取凹痕直徑求取平均值，顯微鏡標尺每一刻度為0.05 mm，並應以直交方向重複量取求平均值，查勃氏硬度表得硬度值。 6. 測微顯微鏡使用法：

A. 調節目鏡使刻度清晰。

B. 將測微顯微鏡測試孔對準凹痕，鬆開鎖鏡筒圈，昇降鏡筒向使凹痕清晰為止。 C. 鎖緊鎖鏡筒圈讀取刻度。

注意：進光缺口頇朝向光線之來源。

五、注意事項

1. 勿用手指摸觸鋼球，以防生鏽。

2. 沒有試片頂著鋼球，或試料太軟而負載過量，不可加壓試驗，否則壓塞（Ram Piston）下移越出界限，藉安全閥之作用，油料漏出，如果油料不足，將引起油噎現象，再也打不起壓力來。

3. 如壓力桿搖動發生抽噎聲響，壓力不升時，由於油料不足，空氣滲入所致，此時可將試壓閥鬆開取出，添加新鮮乾淨之液壓油，然後關閉，墊上試片，加壓試驗，於錘架未上浮狀況下使壓力達到2900 kg 之負載。此時急速鬆開釋壓閥，油內空氣將隨同油料逸出，如此操作兩次以上，即可排出油內空氣。

4. 各種材料施壓荷重及鋼球大小選擇應適當。

5. 此試驗不能測試硬度超過鋼球之材料，以免引起鋼球變形。補救方法為換用碳化鎢鋼球壓痕器。

6. 本試驗不適用於極薄和極窄之試片或壓痕深度大於表層厚度。 7. 施壓速率不應太快，以免影響準確度。

六、實驗結果紀錄

七、問題討論

1. 說明為何材質、荷重、鋼球直徑要有表一之規定。

2. 若試片表面不為平面而是曲面，如何求得標準之凹痕直徑？ 3. 為何施壓於材料表面至少頇30sec 方可移去負荷？ 4. 抗拉強度與勃氏硬度之關係由Dohmer 定則可知為： 抗拉強度（psi ）=515×B.H.N(H

抗拉強度（psi ）=490×B.H.N(H>175)

請以抗位強度為縱座標，勃氏硬度為橫座標，作圖，並討論之。

5. 試片之厚度，表面平滑度，荷重垂直度，荷重速度對硬度測定值各有何影響，請討論之。

6. 試討論凹痕距離邊緣及距離相鄰凹痕中心至少頇3d 之理由。 7. 勃氏硬度試驗有何優點？適用於那些材料？ 8. 勃氏硬度試驗有那些限制？

9. 同種材料用不同的荷重進行試驗，其硬度值是否相同？試討論之。

洛氏硬度試驗(Rockwell Hardness Test) 一、實驗目的

利用Rockwell 硬度試驗機測定金屬材料之洛氏硬度值(HR ) 。

二、實驗設備與材料

1. Rockwell 硬度試驗機(如圖三) 。

圖三、.Rockwell 硬度試驗機

2. 試片(素碳鋼、鑄鐵、銅、鋁合金，其他硬質材料) 。 3.H R 硬度表。

三、實驗原理

1. 氏硬度試驗機乃利用槓桿原理，將硬鋼球或金鋼石圓錐壓痕器，用一定的荷重壓入材料表面，使試片產生壓痕，而由壓痕深度大小經過換算來代表材料的洛氏硬度值。 2. 依材料軟硬不同，所使用的壓痕器、荷重及儀表數字顏色亦不同，其適用範圍如表三所示。

表六、Rockwell 之尺度選用表

3. 對淬火鋼及較硬質之材料所使用的壓痕器是頂角120°，尖端0.2 mm 的金鋼石圓錐體，所施加荷重為150 kg。所得的硬度值由儀表上的黑字讀出稱為洛氏C 尺度，以H R C 表示之。

4. 對退火鋼及其他軟質材料所使用的壓痕器是直徑1/16吋的鋼球，所施加荷重為100

kg 。所得的硬度值由儀表上的紅字讀出稱為洛氏B 尺度，以H R B 表示之。

5. 當測定硬度時都要先加小荷重10 kg，以加此小荷重時的壓入深度做基準，其次再加大荷重140 kg，或90 kg，故大小荷重之和成為150 kg，或100 kg之重量。把壓痕器壓入試片表面，然後除去大荷重只留下小荷重，而以加大荷重時所發生的永久變形部份之深度來比較其硬度大小。（如圖四所示）加小荷重的目的，乃在消除試片表面不平或雜質等影響。

圖四、加上主副荷重之步驟

6. 材料愈硬，壓痕的深度愈小，深度小表示對變形的抵抗力愈大，硬度亦高，通常可由刻度盤直接讀出，讀出方法如下：

刻度盤上有100等分，每等分相當於0.002 mm 壓痕深度，故壓痕深度h 在刻度上是相當於h/0.002=500×h （H R E 至H R V 計算式與H R B 相同）。而H R C 所採用的基準刻度為100，所以H R C=500×h （H R A 和H R D 計算式與H R C 相同）。

四、實驗方法

1. 試驗機之準備：

(a)選擇適當的鋜座在機台咱並清潔之。

(b)依照材料狀況選擇並設定適當之壓痕器及荷重。

2. 試片之準備：表面頇平坦，測定面與底面要平行，並避免產生間隙，且表面不能有灰塵、污垢、油脂及刮傷等。 3. 基本荷重之歸零操作：

(a)轉動升降手輪使鉆座緩慢上升，試片或標準塊與壓痕器接觸，容刻度盤內之短指針轉至紅點中央，同時長指針亦隨著旋轉至垂直指向的上端，C 尺度在C0，B 尺度在B30（其偏轉容許誤差為±5格）。

(b)再將轉動刻度盤使“Set ”刻劃與長指針對正，此時試件己受到小荷重10 kg之壓力，這樣才是完成歸零校正。

4. 在Sec 之後10秒內，按下加力鈕，則大荷重（60，100或150 kg）會慢慢地作用在試片上，此時長指針反時針方向旋轉，順時針方向讀取刻度盤之紅（或黑）刻度之讀數，即得硬度值。

5. 重複上述步驟，測試五點求取平均值。

6. 試驗完畢，取下試片，並將儀器清潔保養之。

五、注意事項

1. 壓痕器調換後頇施行預備試驗二次，加以試驗機之最大荷重，而後使用之。

2. 試驗硬度高之不明材料時，應依A 、D 、C 等尺度之順序測試之，以免損壞金鋼石圓錐。

3. 同一點不可作二次以上試驗，極硬材料亦不宜試驗。

4. 不論試片之厚度如何，均不可將試片重疊試驗，否則其硬度會有誤差。

5. 試件只能單面測試，不可同時測試兩面以造成不準。

6. 各壓痕中心距離頇大於4倍壓痕直徑，以免因太靠近產生應變而使硬度值偏高。壓痕中心距試件邊緣亦頇在壓痕直徑2倍以上，否則硬度值會偏低。

7. 試件之背面若稍有污垢或油脂，會影響凹部深度之測定，故頇注意試片及鉆座之清潔。

8. 各部操作宜緩慢進行，避免振動及衝擊，影響了精確度及壓痕器受損。

六、實驗結果紀錄

七、問題討論

1. 試討論洛氏硬度試驗機其C 與B 尺度之零點不相一致之理由？

2. 為何Ｃ與Ｂ尺度有以下之操作限制：Ｃ尺度僅能測ＨR Ｃ 0~70之硬度Ｂ尺度僅能測ＨR Ｂ 30~100之硬度？

3. 以素碳鋼為試片材料，含碳量為橫座標，洛氏硬度值為縱座標作圖？ 4. 試討論圓斷面試桿之誤差因素？ 5. 試畫出洛氏硬度試驗機之構造略圖？ 6. 洛氏硬度試驗有何優點？

7. 洛氏硬度試驗先加一小荷重，其目的為何？ 8. 試說明洛氏硬度試驗時其壓痕過程？

蕭氏硬度試驗（Shore Hardness Test）

一、實驗目的

熟悉蕭氏硬度試驗機的操作及試驗方法

二、實驗設備與材料

1. 蕭氏硬度試驗機及其附件（如圖五所示）。 2. 試片。

圖五、蕭氏硬度試驗機

三、實驗原理

其原理圖（如圖六）所示，Shore 硬度試驗為動力荷重之硬度是把一定重量的小錘（尖端裝有小的金鋼石diamond ）掛在垂直玻璃管管內一定的高度，自此高度使小錘自由落下打擊試驗片。當小錘打擊試驗片時，試驗片表面會產生很小的凹痕。這時小錘的一部分能量會消耗在試驗片的變形。而剩餘的能量會使小錘反跳到某一高度。因為試驗片的硬度不同，小錘的反跳高度也不同。所以可以用小錘的反跳高度來表示

Shore 硬度，通常用Hs 記號表示之。

假定小錘的自由落下高度為h 0，反跳的高度為h 時，由下式可得Shore 硬度Hs=10000/65×h/h0

(註) ：經過淬火的高碳鋼（麻田散鐵組織）其平均反跳高度當做Shore 硬度100。蕭氏硬度試驗不但輕便，且凹痕微小，不致損害表面，且試件厚度可以很薄，但亦有幾點頇注意。

圖

六、蕭氏硬度試驗

1. 若材料之彈性係數大或彈性很高，則凹痕雖深，材料雖軟，亦可反跳較高，故此法僅能比較同種材料（彈性能相同者）之硬度。例如樹指以壓痕深度表其硬度則非常小，但若以Shore 硬度表示則異常之大。

2. 玻璃管頇垂直使小錘落下時不與管壁摩擦。試片頇壓緊於墩座，以免惰性影響，同一點不可重複試驗，因該點受撞擊後起加工硬化。

Shore 氏硬度皆示，由於小錘端金鋼石粒之損傷，落下筒之污染，容易發生差異，應常利用硬度基準片檢查是否確實。其基準片之硬度係以Vickers 硬度來檢查的。由表四之換算將Shore 硬度值記入，一般均用90~95、60~65、30~35三個標準試片來校正試驗機之總誤差。

表四、Shore 硬度與基片之 Vickers 硬度之關係

4. 試片最小厚度依材料而異，安全剃刀片等硬鋼為0.15 mm ，常溫加工未退火之鋼與黃銅為0.25 mm，退火鋼為0.38 mm，表面硬化鋼表皮厚度0.4 mm。

5. 兩凹痕中心距至少為2 d（d=凹痕直徑）以上，凹痕距邊緣至少為4 mm以上。

四、實驗方法

1. 把玻璃管調整到垂直的位置（調整試驗的水平調整螺旋，使小重錘吊在小圓孔的正中或用水平儀調整）。

2. 用右手壓緊橡皮球後很快放鬆，把小錘吸上玻璃上端的一定高度。

3. 把試驗片放置在試料台後，而左手轉動Handle 使玻璃管下端緊壓在試驗片上，壓力至少頇20 kg以上。

4. 用右手輕壓橡皮球，使大錘自由落下，打擊試驗片表面，並讀出大錘的反跳高度（讀反跳高度時，讀整數或者讀到0.5的程度即可）。 (註) ：

a. D型試驗機中，轉動手鈕使重錘落下時，手鈕回轉速度會影響其測定值。 b. 重錘落下後把手鈕轉回時，其回轉速度也會影響其測定值。如果回轉速度過快，其指示值會較高，通常控制為60 r.p.m ，也就是說每1秒1個回轉以下為宜。

c. 相鄰兩個凹下中心間的距離至少為5 mm，而且必需距離試料面的端側5 mm以上。

d. 勿用手摸撞錘，以確保精密度。

5. 以C 型Shore 試驗機所得之硬度以符號HsC 表示之，以D 型Shore 試驗機所測得者以符號HsD 表示之。

五、注意事項

1. 頇在試片表面求數點硬度，以求平均值。 2. 硬度值求至小數點以下一位。 3. 同一點不可做二次以上之測定。

4. 試片之厚度頇使凹痕背面無壓凹痕跡。 5. 各凹痕中心之距離頇大於5 mm以上。 6. 各凹中心距離邊緣頇大於5 mm以上。 7. 勿用手摸撞錘，以確保精密度。

六、實驗結果記錄

七、問題討論

1. 試以試驗數據繪出H B ，H R ，H S 硬度間之換算曲線。

2.Shore 硬度值究竟有可價值？（若一材料之彈性能大，硬度大，則Shore 硬度值仍很大，我們取得其值究竟有何用？）試討論之。 3. 如墩座沒有壓緊試片，試討論可能發生的影響。 4. 如何用標準試片檢驗誤差？如有誤差應如何處置？ 5. 試舉例說明Shore 氏硬度試驗機在工業上應用之優點。 6.Shore 硬度試驗讀數偏高或偏低各有那些因素造成？

維氏硬度試驗──微小硬度試驗

一、實驗目的

了解微量硬度試驗機之性能、原理操作法，並求取硬度值。

二、實驗儀器

1. 微小硬度試驗機：容許壓凹器及試料在一預先決定的荷重及時間下緩慢，等速而平滑的接觸。衝擊誤差在荷重小時顯著，故選擇速度一般為500克時10秒、25克時20秒、5克時30秒。（如圖七）

圖七、微小硬度試驗機 2. 壓痕器：本系用Vickers 型之金鋼石正方錐。

3. 顯微放大裝置：目鏡為10倍，物鏡有10倍、20倍、40倍三種，即放大率有100、200、400等三種。

4. 照明裝置。

5. 數值檢測裝置。

6. 荷重範圍：10 gm、20 gm、30 gm、50 gm、100 gm、200 gm、300 gm、500 gm、1000 gm 等。

三、實驗原理

1. 本試驗機之特徵：安裝有測量顯微鏡、量取凹痕對角線長度、可測至0.001 mm，準確又方便。

2. 壓痕器之使用：使用相對夾角為136±0.5°之金鋼石正方錐，荷重為10公克至1000公克，可自由選用，因材料之厚薄軟硬而選定所頇之荷重，材料受壓後，造成永久變形，量取對角線長度，求取硬度值。 Vickers 硬度數H V =P/A=1.8544P/d2(kg/mm2) 設P=荷重(kg)

A=壓痕表面積(mm2)

d=凹痕之平均對角線長度(mm) θ=本對面夾角

4. 通常試片厚度應10倍於壓痕深度以上，壓痕深度=0.143d，試片厚度應為1.43d~1.5d以上，否則誤差大。各凹痕中心之相互距離應大於4d ，凹痕中心離試片邊線距離頇大於2d 。

5. 使用單位一般使用gram(公克) 較方便，故上式寫成HV=P/A=1.8544×1000=1854.4P/d(g/mm2) 。

6. 微硬度試驗較一般的Vickers 試驗有更高的精度，容易測定薄板，電鍍層之硬度對於金屬組織中之樹枝狀晶類，細長組織硬度之測定均極為便利。

7. 荷重機完全自動化，荷重負荷～保持～解除之一連串動作自動操作。與以前由人工操作比較，完全沒有人為之誤差發生。其機構採用獨特之油壓閥門與彈簧之組合方式，不使用馬達，在試驗中，一切振動均不發生。 8. 荷重保持時間，用計時器控制，可任意設定之。

9. 金鋼鑽壓痕器與計測顯微創之更換係用轉塔式把手，當負荷終了後只頇輕輕回轉 90°，顯微鏡即可對準壓痕而觀測之。

10. 微動載物台之移動量對試件之大小較以前所測定之裕度為大。 11. 顯微創倍率以400倍為標準規格。亦可當金屬顯微鏡使用。

四、實驗方法：

本實驗室為AKASHI-MVK-E 型微小硬度計 1. 試驗前之準備：

(1)裝置試驗機之場所要選擇無振動灰塵之鋼筋水泥台，或堅固木製台，可能的話使用專用之防震台。 (2)試驗機裝在測定台上要裝置三個水平調整用腳及水準器，符合正確水平。

(3)上部機蓋取下，為防止般運中產生振動，所裝置之重錘件固定用金屬夾具應除去，並放鬆其固定用螺絲後再把上部機蓋裝回原處。

(4)最後接上電源，檢查綠色指示燈之有效通電。並裝上計測顯微鏡，準備才算齊全。 2. 試驗開始時應調整顯微鏡之光度，設定荷重保持時間，對視野內之二條讀取線，調整目鏡使能清楚看見。

3. 將試件裝上微動載物台，旋轉試件上下用之把手使載物台上升與試驗面之焦點相合。此時對物鏡應注意不可損傷。決定焦點相合狀態之測定點時，再用把手將轉塔

盤迴轉90°，轉至壓痕器。此時壓痕器尖端與試件面之間隔僅0.3～0.4 mm。

4. 推動荷重桿加上負荷，於負荷開始後，綠色指示燈即行熄滅，赤色指示指燃亮。此時荷重即按設定時間作用。

5. 經過荷重保持時間後，壓痕器即靜靜地自試件面離開而上升，再恢復原來位置，此時赤色指示燈改變為綠色。

6. 確認指示燈已變為綠色後，再轉動轉塔盤交換至對物鏡位置，因此在顯微鏡中可見到壓痕之大小。

7. 此壓痕對角線之長度，可用計測顯微鏡讀出。讀出單位為0.1 μ，由硬度數算出或查表求出維氏硬度。觀察對角線之長度採直交二次視測，取二者之平均值為其硬度值。

五、注意事項

1. 如試驗準備事項所述，裝置場所應特別注意。微小硬度計係輕荷重之故，特別易受振動之影響，防震應十分注意，可能的話，使用防震台為佳。

2. 試件之形狀應常一定，試件面與壓子軸應注意垂直。試驗中易動之不安定試件，應使用老虎鉗抓緊穩固之。

3. 一般而言，測定維氏硬度之壓痕甚小，試件表面應精密加工，使對角線長度之測定值誤差為0.5 ％或0.0002 mm以內。因此：精密加工要達到用磨布之鏡面加工，為避免加工時所生之表面硬化，應施以電解研磨或澆注以Aceton 用磨布亦可。 4. 試件所需厚度（表面硬化之試件以硬化深度為厚度）頇壓痕深度的十倍以上。而壓痕深度約為對角線長度的1/7，亦即壓痕對角線長度之1.5倍以上即可。

5. 新壓痕與舊壓痕間之距離及與試件端面間之距離分別為對角線長度之4倍及2.5倍以上為佳。

6. 維氏硬度亦適合相似法則，但以試料材質均勻為限，因此不均一之試料，硬度數值依試驗荷重之大小而變化。試驗條件，特別是荷重，應如下例併列記述之。（例如）1 Kg荷重Hv500時，寫為Hv(1)500。

7. 對物及目鏡，應經常保持清潔，以便容易讀出壓痕。如視野不鮮明時，用軟質清潔布、良質清潔液擦拭之。如仍不鮮明時，則拆下對物鏡，檢查是否有裂痕或割傷，如有則非換新不可。長年使用之顯微鏡內部有污點時，應送廠檢修之。

8. 對物鏡有40倍20倍可互換使用。其焦距調整通常供40倍之用。如換為20倍時，多少會不一樣宜注意。

9. 注意記錄指示燈之使用情況，避免操作不當而損毀壓痕器。

10. 上升下降之主軸要時常加油，為防灰塵進入，加油處有防塵裝置。

六、試驗結果記錄

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七、問題討論

1. 試說明Vickers 之微小硬度試驗所用壓痕器其金鋼石正方錐之角度為136°之理由。 2. 微小硬度機較勃氏、洛氏之硬度試驗有何好處？ 3. 試述微小硬度試驗機之用途。

4. 欲測一金屬薄片之硬度，若該試片大小為1×2×0.4 mm，硬度約為Hv300，至少需測五點以求其平均值，則荷重應選多少？ 5. 試片磨光精度與使用荷重之關係如何？ 6. 如何尋找曲面之正確壓凹地點？

7. 試件表面之粗糙度是否會影響測試之硬度值？為何？

8. 同種材料用不同的荷重進行試驗，其硬度值是否相同？試討論之。 9. 如何以微小硬度試驗機測定鋼之表面硬化深度？ 10. 如何歸零對角線測量機構？ 11. 聚焦與否是否會對硬度值有影響？