硬度所表現(xiàn)的局部變形代表了物體抵抗彈性變形、塑性變形和破壞的能力，是一個(gè)綜合性能指標(biāo)。硬度不像強(qiáng)度、塑性是個(gè)單純的力學(xué)量，而是代表材料的彈性、塑性、強(qiáng)度、韌性以及應(yīng)力狀態(tài)等多種因素影響的綜合反映值。一般認(rèn)為，對硬度起主要作用的是材料的金相組織。而材料表面硬度較高的，其耐磨性能較好，因此活塞環(huán)硬度是一項(xiàng)重要指標(biāo)。　　測定活塞環(huán)硬度的常用測量法有：布氏法、洛氏法和維氏法。對活塞環(huán)表面薄膜的測量手段有顯微硬度、超顯微硬度和納米壓入技術(shù)，其中運(yùn)用較廣的是顯微硬度。　　根據(jù)鑄鐵活塞環(huán)的技術(shù)條件要求，測定鑄鐵活塞環(huán)硬度常選用洛氏（HRB及HRC）和布氏硬度試驗(yàn)法。維氏硬度（HV）試驗(yàn)可測量較薄材料，亦可測量滲氮、鍍鉻、噴鉬等的表面硬度。　　由于活塞環(huán)表面處理技術(shù)的迅猛發(fā)展，如復(fù)合分散鍍、熱噴涂、PVD、CVD、PCVD等，鋼質(zhì)材料的滲硫，深冷處理等，均要求對活塞環(huán)表面涂層（膜）進(jìn)行硬度測量。目前表面處理的陶瓷薄膜及其它薄膜厚度常為3~8μm。應(yīng)當(dāng)指出，雖用顯微硬度方法等測得的硬度值是膜、界面、基體硬度的綜合反映，但此值仍是活塞環(huán)耐磨性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。
1 環(huán)硬度試樣的制備及硬度測定部位
1.1 鑄鐵活塞環(huán)硬度試樣
鑄鐵活塞環(huán)毛坯的硬度試樣應(yīng)具有代表性，一般每一包鐵水取樣，應(yīng)是該包鐵水所澆注到zui后一疊鑄型的第二或第三箱中的一片，且外觀合格環(huán)坯作硬度試樣。當(dāng)然，試樣有無代表性，還應(yīng)針對自己企業(yè)的具體鑄造情況，經(jīng)驗(yàn)證后才能決定取哪一疊的第幾箱的外觀合格環(huán)坯作硬度試樣。　　鑄鐵環(huán)硬度試樣的制備，可直接取自成品或毛坯，對后者則應(yīng)將毛坯加工到成品高度（應(yīng)注意使兩個(gè)測面加工余量相等），其表面粗糙度與成品相同。對時(shí)效處理前后的硬度試樣，可以采用同一片環(huán)樣。　　鑄鐵環(huán)試樣不論是毛坯還是半成品或成品，測定硬度每片環(huán)測三處，一處離開口處（活塞環(huán)行業(yè)稱之為0°或開口處）約5~7mm，小環(huán)取下限，大環(huán)取上限，一處為中點(diǎn)（亦稱90°），一處為開口對方（亦稱180°處）；油環(huán)應(yīng)在相應(yīng)的實(shí)體部位測量。　　
1.2 鍍鉻、氮化、噴鉬等表面處理活塞環(huán)硬度試樣
試樣表面應(yīng)平坦光滑，試驗(yàn)面上應(yīng)無氧化皮、油脂及外來污物，其表面質(zhì)量應(yīng)能保證壓痕對角線長度的測量，一般維氏硬度試樣表面粗糙度要求在Ra0.4μm以下；小負(fù)荷維氏硬度試樣表面粗糙度要求在Ra0.2μm以下；顯微維氏硬度試樣表面粗糙度要求為Ra0.1μm。鍍鉻、氮化等表面處理活塞環(huán)成品的表面粗糙度要求在Ra0.2μm以下。　　
1.3 陶瓷薄膜（小于10μm）等活塞環(huán)硬度試樣
此項(xiàng)暫無標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，一般要求試樣具有代表性，要求試樣表面粗糙度控制在Ra0.1μm，至少應(yīng)在Ra0.2μm。測定部位宜采用30°、90°、180°三處，測定硬度值并計(jì)算硬度差。　　
2 活塞環(huán)的硬度值　　
HRB、HRC硬度按GB230的規(guī)定進(jìn)行測定，薄膜硬度測試按GB4342-84規(guī)定進(jìn)行，JB/T8865-1966可供參照。
2.1 鑄鐵活塞環(huán)的硬度值
鑄鐵活塞環(huán)適合機(jī)加工硬度為100~105HRB，過低的硬度其抗磨能力差，有時(shí)也不適宜加工；硬度過高非但加工困難，有時(shí)還會(huì)引起拉缸。生產(chǎn)實(shí)踐表明，環(huán)的硬度控制在100~105HRB之間。一般環(huán)有良好的機(jī)械性能，為此生產(chǎn)活塞環(huán)（低合金灰鑄鐵材料）應(yīng)使其硬度控制在這一范圍內(nèi)。　　GB1149-82中規(guī)定了活塞環(huán)的硬度范圍：環(huán)直徑小于或等于150mm時(shí)為98~108HRB；當(dāng)環(huán)的材質(zhì)為鎢合金鑄鐵時(shí)為96~106HRB；環(huán)直徑D大于150mm時(shí)為94~105HRB。GB1149-82又規(guī)定同一片環(huán)硬度差不大于3個(gè)HRB單位。同一片環(huán)的各部分材質(zhì)盡可能一致，其各部分的硬度差就小。由于筒體環(huán)澆注后，鐵水冷卻速度慢而且均勻，所以筒體環(huán)比單體環(huán)同環(huán)硬度差要小，一般都小于2個(gè)HRB單位。　　內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)標(biāo)準(zhǔn)ISO6621/5和國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1149.4-94規(guī)定zui低硬度：不經(jīng)熱處理的灰鑄鐵環(huán)分別為93HRB與95HRB；熱處理的灰鑄鐵環(huán)分別為23HRC、28HRC、32HRC、37HRC與40HRC；碳化物鑄鐵環(huán)分別為25HRC與30HRC；可鍛鑄鐵環(huán)分別為95HRB、22HRC、27HRC與30HRC；球鐵環(huán)分別為23HRC、28HRC、95HRB與97HRB；柯茨公司經(jīng)調(diào)質(zhì)處理的KVI球鐵環(huán)為104~112HRB，產(chǎn)品硬度實(shí)際為108HRB左右（此為KVI的*硬度）。鋼環(huán)分別為38HRC、40HRC與48HRC（一般鋼質(zhì)活塞環(huán)硬度控制在38~44HRC）。　　
2.2 鍍鉻、氮化、噴鉬等表面硬化處理環(huán)的硬度值　　
為了提高活塞環(huán)的耐磨性和使命壽命，須經(jīng)過鍍鉻、氮化或其它表面硬化處理，以提高其表面硬度，一般其維氏硬度可達(dá)到800HV0.2以上，硬度過低則影響其抗磨能力。生產(chǎn)實(shí)踐表明，環(huán)的表面硬度控制在800~1200HV0.2為宜。如片面強(qiáng)調(diào)鍍鉻層HV硬度值，可能導(dǎo)致鍍層內(nèi)應(yīng)力過高，脆性過大，使鍍鉻層與基體結(jié)合力下降，造成磨損惡化。關(guān)于氮化HV硬度值，近期報(bào)導(dǎo)日本鋼質(zhì)環(huán)可以形成150HV的表面氮化層，具有良好的耐磨和抗熔著磨損性能。目前國內(nèi)一般氮化硬度控制在850~1200HV范圍內(nèi)，噴鉬硬度控制在800~1050HV范圍內(nèi)。對薄膜硬度測量值由于這是新事物，只有定性的評價(jià)，而無定量的評價(jià)。建議對小于10μm膜厚的表面處理區(qū)分薄膜種類、不同基體、不同過渡層作出分別的規(guī)定。本文只能提供參考值，有待進(jìn)一步實(shí)踐、探索和總結(jié)，并與同行共同加以探討。　　
TiN金屬陶瓷環(huán)無氮化過渡層顯微硬度大于1000HV，有氮化過渡層的屢微硬度大于1200HV；
PCVD之BN-SiN薄膜無氮化或鍍鉻過渡層的顯微硬度大于700HV，有氮化或鍍鉻過渡層的顯微硬度大于950HV；　　Ni-P復(fù)合分散鍍，顯微硬度800~1100HV以上，如CPN-200系（Ni-Co-P）―Si3N4活塞環(huán)復(fù)歙 發(fā)散鍍顯微硬度測定值在100HV以上；
NiKaSiL系（Ni-P）-SiC活塞環(huán)復(fù)合分散鍍顯微硬度測定值在1000~1350HV范圍內(nèi)；　　
等離子硬化顯微硬度800~950HV；　　
激光處理顯微硬度800~1150HV；　　
經(jīng)滲硫處理表面硬度基本不變；　　
經(jīng)深冷處理表面硬度比未處理前約升高2個(gè)HRC單位。3 影響活塞環(huán)硬度方面的因素　　
影響鑄鐵活塞環(huán)硬度主要因素是村質(zhì)的化學(xué)成分和金相組織兩個(gè)方面，其中化學(xué)成分本身對硬度起作用外，還通過化學(xué)成分影響金相組織對硬度起作用。　　
金相組織對硬度的影響。 
灰鑄鐵環(huán)為：基體組織、石墨形態(tài)分布、石墨大小及數(shù)量、共晶團(tuán)大小、磷共晶及其復(fù)合物數(shù)量。其中基體組織為：珠光體粗細(xì)程度，珠光體數(shù)量，鐵素體形態(tài)及其含量，針狀組織分布及其含量、針狀組織轉(zhuǎn)化、珠光體粒化程度、游離滲碳體和萊氏體組織形態(tài)、分布及含量。　　灰鑄鐵環(huán)的硬度首先取決于環(huán)的基體組織，按GB2805-81中的第六類別圖，從圖號3、1、2、4、5中珠光體片間距依次變大，硬度依次下降，圖號3為針狀組織，HRB值為107~112，它常出現(xiàn)于CrMo系合金灰鑄鐵環(huán)，大都在環(huán)90°處居多，180°處次之，0°處沒有或很少。針狀組織含量多時(shí)，石墨大都偏細(xì)，化學(xué)成分中硅、磷含量較低；碳、鉬、鉻、錳含量較高，金相組織中會(huì)出現(xiàn)針狀組織。針狀組織經(jīng)過熱處理，會(huì)形成針狀組織卷曲化。此時(shí)硬度就有較大幅度的下降，同環(huán)的硬度差由鑄態(tài)的大小3~7個(gè)單位變?yōu)椴淮笥?個(gè)單位。針狀組織含量越多，時(shí)效處理后90°處硬度下降越大，反之則相反。圖號5為粒狀珠光體，一般由于時(shí)效溫度超高，造成珠光體粒化，此時(shí)硬度常處于不合格（小于98HRB）或位于98HRB附近，一旦發(fā)生珠光體分散，則硬度大幅度下降，通常因時(shí)效溫度太高，超過相變溫度，此時(shí)硬度為80~94HRB。　　
在灰鑄鐵活塞環(huán)的金相組織中，基體組織、石墨形態(tài)分布及大小數(shù)量、共晶團(tuán)大小三者之間有著密切的一定對應(yīng)關(guān)系，一般珠光體粗大，石墨與共晶團(tuán)也就粗大，硬度就低，反之則相反。往往從石墨形成分布、大小及數(shù)量反映硬度的高低比觀察基體情況更為明顯。石墨形態(tài)對硬度的影響：E、D、B、A、F，硬度依次（從左到右）下降，并隨著石墨數(shù)量的增多，尺寸變大硬度變低，巢狀鐵素體本身對硬度影響不大，由于巢狀鐵素體與不均勻分布的E型、D型石墨伴生，所以出現(xiàn)巢狀鐵素體的灰鐵環(huán)硬度都較高。　　
隨著磷共晶數(shù)量的增加，環(huán)硬度稍有升高，當(dāng)出現(xiàn)磷共晶復(fù)合物時(shí)，環(huán)的硬度會(huì)有一定程度的升高。例如含硼碳化物與磷共晶復(fù)合物所在的硼鑄鐵環(huán)，它比具有同樣石墨，相近基體的低合金環(huán)的硬度要高出0.5~1.5個(gè)HRB單位值。　　
十分明顯，金相組織中出現(xiàn)游離滲碳體和萊氏體，環(huán)的硬度變高（反白口除外），往往超出108HRB，造成硬度報(bào)廢。　　
球鐵環(huán)硬度基本上不受球墨的密度和大小的影響，鑄態(tài)球鐵環(huán)硬度主要影響因素是鐵素體含量，其次是珠光體粗細(xì)程度，一般鑄態(tài)球鐵環(huán)為達(dá)到zui低硬度（98~100HRB），相應(yīng)的鐵素體不能超一定的含量（此值對生產(chǎn)廠由于鑄造條件不同會(huì)有所不同，約為15%~20%。此可供參考，如加入適量Sb可控制在小于15%）。　　經(jīng)熱處理的球鐵環(huán)，其硬度主要取決于基體情況，經(jīng)正火處理的環(huán)，硬度的主要影響因素為：鐵素體含量、珠光體粗細(xì)程度、索氏體含量。隨著鐵素體量的減少，基體組織的致密細(xì)化，硬度有所升高。經(jīng)調(diào)質(zhì)處理的球鐵環(huán)，其正常金相組織為：回火馬氏體、回火屈氏體、回火索氏體、殘余奧氏體，此時(shí)的球鐵環(huán)硬度隨回火馬氏體含量的增加，回火索氏體含量的減少，硬度值增大，反之則相反。在熱處理工藝上，球鐵環(huán)硬度受回火溫度的控制，回火溫度高，硬度就低，反之，回火溫度低則硬度就高。　　
所有球鐵環(huán)，隨碳化物含量的增多，硬度也有所增高，其中碳化物塊度越細(xì)小彌散分布，對硬度的影響越小。　　生產(chǎn)實(shí)踐表明，通過熱處理改變環(huán)的基體組織，可以使環(huán)的硬度均勻化（如灰鑄鐵環(huán)的時(shí)效處理），或大大改變環(huán)的硬度（如正火、調(diào)質(zhì)處理）。　　
一般小于10μm之薄膜硬度測定值受到下列因素影響：一是受過渡層的影響較大。為加強(qiáng)膜基界面結(jié)合強(qiáng)度，提高表面硬度測定值，并在磨損過程中給予薄膜強(qiáng)有力的支承，在工藝上采用過渡層，例如活塞環(huán)陶瓷薄膜常用氮化、鍍鉻；TiN金屬陶瓷環(huán)常用氮化、純Ti層、Ni-W等作過渡層。由于顯微硬度測定值是薄膜、界面、基體硬度的綜合反映，所以有無過渡層、過渡層本身的硬度、彈性模量作為界面和基體一樣直接影響到表面硬度的測定，十分明顯，比基體硬度高的過渡層，將提高表面硬度的測定值；二是薄膜本身硬度、彈性模量、厚度及表面粗糙度影響；三是界面層的強(qiáng)度、彈性模量及膜基界面結(jié)合強(qiáng)度；四是試驗(yàn)手段，如載荷、壓頭形狀等。　　
上述中對PVD薄膜顯微硬度影響 工藝因素，首先是適當(dāng)?shù)呢?fù)偏壓和真空度對膜層組織結(jié)構(gòu)和性能有重要影響。例如Ti2N比TiN有更高的硬度和耐磨性，形成適量Ti2N需要適當(dāng)?shù)呢?fù)偏壓和真空度。其次在動(dòng)態(tài)參數(shù)控制下沉積的膜層形態(tài)表現(xiàn)為層狀分布特征，膜層具有較高的致密性、顯微硬度及良好的耐磨性。　　
對復(fù)合分散鍍表面硬度影響工藝因素與基質(zhì)、分散粒子及其加入量、熱處理有關(guān)。例如硬度值高的SiC（2500HV）就容易得到較高的表面硬度值；N-P復(fù)合鍍經(jīng)400℃熱處理就得到較高的鍍層硬度。　　應(yīng)指出對小于10μm的薄膜表面處理層，不能單用顯微硬度來表示耐磨性能，因?yàn)楸∧さ慕M成、結(jié)構(gòu)、性能不同，特別對其中具有自潤滑性能的，它不一定具有高的顯微硬度，但有良好的耐磨減磨性能。對表面硬度而言，它仍有一個(gè)適合的范圍，這一適合的范圍正是我們要探求的。
測定環(huán)硬度操作應(yīng)注意事項(xiàng)
1 試樣（特別是毛坯）應(yīng)加工到成品高度及應(yīng)有的表面粗糙度。　　
對鑄鐵環(huán)一般小環(huán)（環(huán)直徑小于70）的毛坯環(huán)高常為3mm，而成品高為≤1.5mm，部分工廠常對試樣高度磨至大于1.5mm，有時(shí)達(dá)2mm多，這樣使測出的硬度值往往高出0.5~1個(gè)單位。環(huán)樣表面不能有粗車刀紋，其表面粗糙度應(yīng)為Ra0.8μm，否則，測試結(jié)果會(huì)不準(zhǔn)確。　　
一般對鋼質(zhì)環(huán)維氏硬度試樣表面粗糙度要求Ra0.4μm以下；鋼質(zhì)環(huán)成品的表面粗糙度要求在Ra0.2μm以下。
2 被測活塞環(huán)試樣的基準(zhǔn)面（環(huán)樣的下側(cè)面）在工作臺上要穩(wěn)實(shí)放置并保證試驗(yàn)中試樣不產(chǎn)生位移，為此環(huán)樣不能撓曲或部分架空，基準(zhǔn)面不能有毛刺，此面與工作臺面應(yīng)清潔且無其它污物（氧化皮、油脂、灰塵等）。
3 使壓頭與試樣表面接觸，垂直于試驗(yàn)面施加試驗(yàn)力，加力過程中不應(yīng)有沖擊和振動(dòng)，直至將試驗(yàn)力施加至規(guī)定值。洛氏硬度壓力類型、所加載荷及經(jīng)常測量活塞環(huán)的范圍參見表1。　
說明：由于鑄鐵活塞環(huán)廣泛使用HRB測定，其實(shí)際測定范圍已超出其常規(guī)測量的25~100范圍。　　測定維氏硬度時(shí)必須在要求的試驗(yàn)力范圍內(nèi)施加規(guī)定的試驗(yàn)力，其試驗(yàn)力從5~100kgf（約50~1000N）范圍內(nèi)變化，應(yīng)根據(jù)要求進(jìn)行選擇。對氮化鋼質(zhì)活塞環(huán)，由于滲氮層很薄，通常用維氏硬度計(jì)（HV）進(jìn)行測量時(shí)，選擇試驗(yàn)力應(yīng)根據(jù)滲氮層深度進(jìn)行選擇。
　 經(jīng)過表面處理的鋼質(zhì)活塞環(huán)，毛坯一般選用維氏硬度5kgf（49.03N）試驗(yàn)力；成品鋼質(zhì)環(huán)選用小負(fù)荷維氏硬度0.2kgf（1.961N）試驗(yàn)力。測量薄膜一般加載用HV0.1、HV1.0、HV0.050三種之一.
測試維氏硬度時(shí)，從加試驗(yàn)力開始至全部試驗(yàn)力施加完畢時(shí)間應(yīng)在2~10s之間。對于小負(fù)荷維氏硬度試驗(yàn)和顯微維氏硬度試驗(yàn)，壓實(shí)下降速度應(yīng)不大于0.2mm/s，試驗(yàn)力保持為10~15s。對于特殊材料，試驗(yàn)力保持時(shí)間可以延長，但誤差在±2s之內(nèi)。　　
4 整體鑄鐵油環(huán)不宜測定硬度值，因?yàn)橛筒塾涂椎慕Y(jié)構(gòu)，導(dǎo)致不能準(zhǔn)確測出硬度值。對于環(huán)高低于1.5mm的鑄鐵環(huán)，測量硬度的工作臺面中心不能有凹坑，如有凹坑則測量時(shí)應(yīng)添加一定剛度的墊片，將環(huán)樣放置在墊片上測試（墊片應(yīng)有較好的平行度，其表面粗糙度在Ra0.8μm以下），否則測定的硬度值會(huì)偏低，可能低1~2個(gè)HRB單位，甚至環(huán)被壓斷。　　
5 布氏硬度超過350HB時(shí)，鋼球的硬質(zhì)合金球測得的結(jié)果，可能有明顯不同，因此測定位于350~450HB的布氏硬度應(yīng)注明所用壓頭；　　
6 在整個(gè)試驗(yàn)期間，硬度計(jì)應(yīng)避免受到?jīng)_擊和振動(dòng)。硬度計(jì)在受震狀態(tài)，指針震動(dòng)時(shí)不能測量硬度值；　　
7 拆洗硬度計(jì)或在維護(hù)硬度計(jì)加油后，應(yīng)讓硬度計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)多次后并經(jīng)二級標(biāo)準(zhǔn)硬度試塊測定，測得標(biāo)塊硬度值在±1個(gè)硬度單位范圍內(nèi)才可正式測量。一般每天上班測的*點(diǎn)硬度值不能正式計(jì)數(shù)；更換壓頭（例如換鋼珠）測試的前三點(diǎn)不能正式計(jì)數(shù)，往后測得的測定值才正式計(jì)數(shù)。　　
8 應(yīng)定期（視壓頭的鋼球或金剛石圓錐體的質(zhì)量來定時(shí)間的長短），用二級標(biāo)準(zhǔn)硬度試塊測試，如超出標(biāo)塊硬度值±1個(gè)硬度單位時(shí)，應(yīng)調(diào)整或清洗硬度計(jì)。　　
9 選用的二級標(biāo)準(zhǔn)硬度試塊的硬度值應(yīng)盡量接近試樣測定值，例如灰鑄鐵活塞環(huán)硬度值為98~108HRB，因?yàn)橐话銟?biāo)塊硬度小于100HRB，所以要選用90~95HRB硬度盡量高的標(biāo)塊（購買時(shí)應(yīng)予注意；硬度大于100HRB的標(biāo)塊常常是假冒偽劣產(chǎn)品）。　　
10 壓痕（指測試點(diǎn)）之間，壓痕與工件邊緣之間距離宜大于3mm。由于活塞環(huán)尺寸小，在徑向厚度小于6mm時(shí)，測定點(diǎn)到環(huán)的內(nèi)外圓無法保證大于3mm，此時(shí)測試點(diǎn)也應(yīng)保證壓痕之間，壓痕與環(huán)開口端的距離不小于3mm。　　
11 加初載荷時(shí)，轉(zhuǎn)速宜均勻，指針力求一次到位，如不到位也應(yīng)控制在三小格之內(nèi)；卸載荷速度不宜過快，轉(zhuǎn)速要均勻，如卸載荷速度太快，硬度測定值可能會(huì)偏高0.5~1個(gè)HRB單位。　　
12 當(dāng)鋼球（Φ1.588）質(zhì)量不好時(shí)，會(huì)發(fā)生下列現(xiàn)象：一是鋼球變形（變扁）；二是鋼球接觸環(huán)的測量面磨損較快，導(dǎo)致該接觸面部分表面發(fā)暗無光澤。上述兩種情況均使測量值升高，常可達(dá)1~3個(gè)HRB單位，如有此現(xiàn)象應(yīng)立即更換鋼球。　　13 主載荷的加載速度太快或太慢時(shí)，可將緩沖器的油針適當(dāng)?shù)男牖蛐黾右哉{(diào)整。　　對于質(zhì)量好的鋼球，在使用一定時(shí)間后，宜將鋼球轉(zhuǎn)位（卸下重裝，使鋼球接觸環(huán)的那個(gè)部位轉(zhuǎn)換個(gè)位置）。