韦氏硬度

定义

韦氏硬度是金属材料抵抗硬钢压针压入表面能力的一种量度，以压针在标准弹簧试验力作用下的压入深度来确定，单位符号为HW。^[3][1] 试验时，一定形状的淬火钢压针在标准弹簧力作用下被压入试样表面，材料越硬则压针压入越浅。^[1] 有资料将0.01mm的压入深度作为一个韦氏硬度单位，也有资料和型号采用0.0125mm。^[1]

按压针几何形状与施力弹簧弹性系数的不同组合，韦氏硬度计分为A、B、C三种型式：A型压针为圆锥体，B型和C型压针为圆柱体，施力弹簧弹性系数标称值依次为75、145和75 N/mm。^[4] 用三种硬度计测得的硬度值分别写作HWA、HWB和HWC。^[4]

依据GB/T 32660.1—2016，金属材料韦氏硬度试验的测量值范围相当于洛氏硬度53.0 HRB～92.2 HRB、28.0 HRE～110.0 HRE和30.2 HRF～98.5 HRF。^[5] 该标准由全国钢标准化技术委员会归口。^[6]

原理

韦氏硬度试验属于静态压入式试验。硬度计主要由框架、手柄、压针组件和砧座组成，其中压针组件包含压针、负荷弹簧、调节螺母、压针套筒和表头等。 压下手柄后，压针尖端先接触试样，随后一部分压入材料，另一部分退入套筒并压缩负荷弹簧，表头指针随压针移动而指示读数。

弹簧的压缩量决定试验力的大小，压针压入深度则反映材料抵抗局部塑性变形的能力，两者共同决定硬度读数。^[7] 压入深度与硬度成反比，压入越浅表示硬度越高。 硬度值与压入深度的关系可表示为 $HW = 20 - L/k$，式中 $L$ 为压入深度，$k$ 为定义值。

flowchart LR

A[压针在标准弹簧力作用下压入试样] --> B[形成一定深度的压痕]

B --> C[表头指针指示读数]

C --> D[换算为韦氏硬度值 HW]

发展历程

韦氏硬度检测方法起源于美国，由美国韦氏公司（Webster）生产Webster B型韦氏硬度计。^[8][9] 20世纪80年代，该方法随铝型材生产线的引进而进入中国。^[10]

进入中国后，其应用逐年增多，国内已能生产多种型号的韦氏硬度计，代表性产品为W-20系列。 相关标准随后陆续建立：美国ASTM B647标准制定于1978年，中国计量检定规程JJG 944制定于1999年，有色金属行业标准YS/T 420制定于2000年。

2016年，中国发布GB/T 32660系列国家标准，分为试验方法、硬度计的检验与校准、标准硬度块的标定三个部分。^[11][2] 其中第1部分于2016年4月25日发布、2017年3月1日实施。^[6] 有色金属行业标准YS/T 420-2023代替YS/T 420-2000，于2023年12月20日发布、2024年7月1日实施。^[12]

应用

韦氏硬度主要用于铝合金、铜合金及软钢等较软金属材料的硬度检测，其中铝合金尤其是铝型材是最主要的应用对象。^[13] 由于硬度计体积小、重量轻、可单手操作且不必取样，适合在生产现场对成批产品进行快速检测。

可检测的制品形态包括管材、板材、带材、型材、棒材以及铸件、锻件和成品零部件，可在工件上直接进行无损或微损检测。^[13] 有色金属行业标准YS/T 420-2023规定，该方法适用于厚度不小于1mm的6×××系铝合金材料，其他系列铝合金可参照使用。^[12]

在铝加工行业中，韦氏硬度常用于判定铝型材的热处理效果与合金成分是否合格，并用于生产检验、验收检验和质量监督检验；在电线电缆行业则用于检测铝导杆、铝线的硬度，以控制拉拔与退火工艺。^[13]

局限

韦氏硬度计的灵敏度较差，量程较窄，全量程通常只有20个刻度，因此一台仪器一般只能测试1~2种金属材料。 其试验力小、压痕浅，测量结果对材料表面状态较为敏感，代表性有限。^[13]

该方法不适用于高硬度材料，也难以精确测定硬度梯度大的渗层和镀层。试样表面需光滑平整、无氧化皮与油污，厚度至少应为压痕深度的10倍；在曲面上测试时，还需按标准对结果进行曲率修正或使用专用砧座。^[13]

HWA、HWB、HWC等不同标尺之间的硬度值不能直接比较，也不能与洛氏硬度、布氏硬度等硬度值进行精确换算。^[13] 由于尚未建立HWC与洛氏硬度的换算表，C型硬度计目前无法进行间接检验。^[4]

参见

• 洛氏硬度 —— 韦氏硬度的测量值范围常以洛氏硬度标尺表示

• 布氏硬度 —— 与韦氏硬度同属压入式硬度试验方法

• 维氏硬度 —— 另一种常用的金属压入式硬度试验方法

• 铝合金 —— 韦氏硬度最主要的检测对象

• 硬度计 —— 韦氏硬度试验所使用的仪器