談鋼材硬度與抗拉強度關係

硬度試驗是機械工程類常使用的試驗項目，利用堅硬的物體，例如碳化鎢鋼球或鑽石等，以一定的壓力在鋼材表面壓下凹痕，量測凹痕的深度、寬度等，可以計算其硬度值。又由於凹痕是由於鋼材塑性的流動，可以推估其抗拉或降伏強度[7]。

ASTM有關的硬度試驗類型，有Leeb、Brinell(勃氏)、Rockwell(洛氏)、Knoop(諾布氏)、Vikers(維氏)等五種[2〜5]。CNS試驗類型除了Leeb外，也有相關的試驗規範，讀者可自行參閱(CNS 2113〜2115、CNS 7094)。

勃氏(Brinell)硬度試驗方式，如圖1所示，以一定的力量作用在直徑不等的鋼球上，在鋼材表面壓出凹痕，量測凹痕的直徑，可以計算出凹痕的表面積，而勃氏硬度HBW=壓力(kgf)/凹痕表面積(mm2)=F/(πD h)=(2F/(πD(D-√(D2-d2))而推算得知。鋼球直徑有10、5、2.5及1mm等四種，壓力則從3,000kgf〜1kgf，形成應力比F/D2有30、15、10、5、2.5、1.25及1等7種壓應力。所以勃氏硬度表示500 HBW 10/1,500，代表勃氏硬度值500，使用10mm碳化鎢鋼珠(W)施加1,500公斤的力量得到的(應力比15)。

洛氏(Rockwell)硬度試驗，則是土木工程最常聽到的硬度試驗方式。洛氏試驗有60、100及150kgf三種不同的壓力，配合使用各種不同尺寸的鋼球與鑽石作為壓入端，總共有15種之多，但實際在鋼鐵材料使用，大概只有A、B、C三種，A、C採用角度120度半徑0.2mm的鑽石，而B採用碳化鎢鋼球，分別以60、100及150kgf壓入，但與勃氏試驗不同的是：先以10 kgf(98 N)的預壓力壓入並停留一小段時間後，以其壓入量作為起始點，然後再加至規定壓力，並停留2-6秒時間，釋放主壓力，量測這時的壓入深度作為量測值D(如圖2)。使用鑽石時，其硬度值HRA(或C)=100-h/0.002；鋼球時HRB=130-h/0.002。由於克服表面可能造成的影響，一般也認定與抗拉強度等物理量的關係最好[4]。

諾布氏(Knoop)和維氏(Vikers)硬度試驗，兩者方法一樣，差別在使用的壓入頭樣式、角度如圖3。在微觀的量測上使用1〜1,000 gf的力量，在一般金屬表面則使用1〜100 kgf。硬度計算方式與勃氏硬度一樣，以壓力除以壓痕面積來計算。一般諾布氏只用在微觀上，如銲道的熱影響區硬度量測。維氏雖然也用在微觀較多，但也有人用在巨觀的。

Leeb的試驗方式與其他方式不同，他的試驗方式類似於混凝土的反彈鎚試驗。試驗時以彈簧(或其他方式)施加作用力，使壓入頭(indenter；一般是1.5mm半徑之碳化鎢球)射向受測面，量測反射速度/入射速度X1,000即為其硬度值。例如450HLG，代表450的量測值，H代表硬度試驗(Hardness)，L代表Leeb試驗方法，G代表G Type的壓入頭及初速度。另外與反彈鎚類似的地方，當試驗時角度不等於90度時，由於重力的關係，其值需要以查表或儀器自動計算的方式加以修正。

在機械工程領域來說，許多複雜的機械元件，以硬度試驗來推估其物理性質，是一迅速簡便的方法，因此累積了大量的數據。研究顯示[7]對於一般非奧斯田鐵、非熱處理鋼材而言，不論是降伏或抗拉強度，都呈現不錯的線性相關。根據ASTM A370及ASTM E140規範，對於非奧斯田鐵金屬(一般鋼材)，其硬度與推估抗拉強度關係，節錄如表1、2所示。由於相關研究很多，因篇幅關係，在此僅針對規範有提到的給大家作介紹。

鋼鐵材料在工廠經最初步的加工裁切後，由於已經看不到爐號等可茲證明的東西，如果對於材料強度是否正確有疑問，常是很苦惱的問題。如果要切一片下來，會破壞結構的完整，但又對鋼構廠的品保不是很放心，可以考慮使用硬度試驗來求取近似的抗拉強度。

參考資料

1. 「Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products」ASTM A 370-09.

2. 「Standard Test Methods for Leeb Hardness Testing of Steel Products」ASTM A956-02.

3. 「Standard Test Methods for Brinell Hardness of Metallic Materials」ASTM E10-17.

4. 「Standard Test Methods for Rockwell Hardness of Metallic Materials」ASTM E18-15.

5. 「Standard Test Methods for Knoop and Vikers Hardness of Materials」ASTM E384-11.

6. 「Standard Hardness Conversion Table for Metals Relationship Among Brinell Hardness, Vikers Hardness, Rockwell Hardness and Leeb Hardness」ASTM E140-12.

7. 「Correlation of Yield Strength and Tensile Strength with Hardness for Steel」E.J Pavlina and C.J Van Tyne, JMEPEG 2008 ASM.

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