第四章材料的硬度
4.1前言
古时,利用固体互相刻划来区分材料的软硬
硬度仍用来表示材料的软硬程度 。
硬度值大小取决于材料的性质,成分和显微组织,测量方法和条件不符合统一标准就不能反映真实硬度 。
目前还没有统一而确切的关于硬度的物理定义 。
硬度测定简便,造成的表面损伤小,基本上属于,无损,检测的范畴 。
测定硬度的方法很多,主要有压入法,回跳法和刻划法三大类 。。
4.2 布氏硬度压入法硬度,氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度,表征材料表面抵抗外物压人时引起塑性变形的能力。
4.2.1 布氏硬度测定的原理和方法压力将淬火钢球或硬质合金球压头压入试样表面，保持规定的时间后卸除压力，
试件表面留下压痕，单位压痕表面积上所承受的平均压力即定义为布氏硬度值。
施加压力 P,压头直径 D,压痕深度 h或直径 d,
计算出布氏硬度值,单位为 kgf/mm2（ 一般不标注 ） 。
（ 4-1）
公式表明,当压力和压头直径一定时,压痕直径越大,布氏硬度值越低,即变形抗力越小；反之,布氏硬度值越高 。
)(
2
22 dDDD
p
Dh
p
A
pHB
由于不同材料的硬度不同，试件的厚度不同，测定布氏硬度时需选用不同直径的压头和压力。要在同一材料上测得相同的布氏硬度，或在不同的材料上测得的硬度可以相互比较，压痕的形状必须几何相似，
压入角应相等。
布氏硬度相同时，要保证压入角相等，
则 P/D2应为常数。
国标 GB231-84根据材料的种类及布氏硬度范围，规定了 7种 P/D2之值，见表 4-1。
压头直径选定,
试件的厚度应大于压痕深度的 10倍 。 尽可能选用大直径的压头 。 根据材料及其硬度范围,
参照表 4-1选择 P/D2。
测试加载压力与试件表面垂直,均匀平稳,
无冲击 。
压力作用下的保持时间有规定,对黑色金属应为 10秒,有色金属为 30秒,对 HB＜ 35的材料为 60秒 。 压痕直径 d不在 0.25 –0.6 D 范围无效 。
符号表示：压头为淬火钢球,HBS；压头为硬质合金球,HBW
HBS或 HBW之前的数字表示硬度值,其后的数字依次为压头直径,压力和保持时间 。
例,150HBSl0／ 3000／ 30表示用 10mm直径淬火钢球,加压 3000kgf,保持 30s,测得的布氏硬度值为 150；
500HBW5／ 750,表示用硬质合金球,压头直轻
5mm,加压 750kgf,保持 10-15秒 (保持时间为 10-15，
不加标注 ),测得布氏硬度值为 500。
4.2.2 布氏硬度的特点和适用范围
压痕面积大,能反映出较大范围内材料各组成相的综合平均性能,不受个别相和微区不均匀性的影响 。 布氏硬度分散性小,重复性好
适合于测定粗大晶粒或粗大组成相的材料的硬度,象灰铸铁和轴承合金等 。
试验证明,在一定的条件下,布氏硬度与抗拉强度存在如下的经验关系
σb=k HB (4-3)
式中 k为经验常数,随材料不同而异 。 表
4-2列出了常见金属材料的抗拉强度与 HB的比例常数 。
压痕较大,不宜在实际零件表面,薄壁件,
表面硬化层上测定布氏硬度 。
淬火钢球作压头,测定 HB＜ 450的材料的硬度；
硬质合金球作压头,测定的硬度可达
650HB．
4.3 洛氏硬度
4.3.1 洛氏硬度测定的原理和方法
洛氏硬度是直接测量压痕深度,压痕愈浅表示材料愈硬
常用的压头：
顶角为 1200的金刚石圆锥体
直径为 Φ 1.588mm(1／ 16英寸 )的钢球压头
试验程序：先加 10kg预压力,再加主压力 。 预压力 +主压力 =总压力,总压力视材料的软硬而定；不同压头和施加不同的总压力,组成不同的洛氏硬度标尺 。
常用 A,B和 C三种标尺,C标尺最普遍 。 用这三种标尺的硬度记为 HRA、
HRB和 HRC。
测定 HRC采用金刚石压头，最好用图示
先加 10kgf预载，压入材料表面的深度为
t0，此时表盘上的指针指向零点 (见图
4-3(a))。
然后再加上 140kgf主载荷，压头压入表面的深度为 t1，表盘上的指针逆时针方向转到相应的刻度 (见图 4-3(b))。
卸除主载荷以后,表面变形中的弹性部分将回复,压头将回升一段距离,即 (t1-t),表盘上的指针将相应地回转 (见图 4-3(c))。
最后,在试件表面留下的残余压痕深度为 t。
为符合人的思维,即数值越大越硬,规定：
t＝ 0.2mm时,HRC＝ 0； t＝ 0,HRC＝ 100,压痕深度每增 0.002mm,HRC降低 1个单位 。 于是有
HRC＝ (0.2-t)／ 0.002＝ （ 100-t） ／ 0.002
(4-4)
图 4-3 洛氏硬度试验过程的示意图
4.3.2 洛氏硬度的优缺点及其应用优点：
① 因为硬度值可从硬度机的表盘上直接读出,故测定洛氏硬度更为简便迅速,工效高；
② 对试件表面造成的损伤较小,可用于成品零件的质量检验；
⑧ 因加有预载荷,可以消除表面轻微的不平度对试验结果的影响 。
缺点,
不同标尺的洛氏硬度值无法相互比较 。
由于压痕小,所以洛氏硬度对材料组织不均匀性很敏感,测试结果比较分散,重复性差,
4.3.3 表面洛氏硬度
洛氏硬度施加的压力大,不宜用于测定极薄的工件和表面硬化层,
发展了表面洛氏硬度试验 。
与普通洛氏硬度主要不同点：
1） 预载荷为 3kgf(29.42N),总载荷比较小,分别为 15kgf,30kgf和 45kgf(441.3N)
2） 取 t＝ 0.1mm时的洛氏硬度为零,深度每增大
0.001mm,表面洛氏硬度降低一个单位 。
4.4 维氏硬度
4.4.1 维氏硬度测定的原理和方法
维氏硬度测定的原理与方法基本上与布氏硬度的相同,根据单位压痕表面积上所承受的压力来定义硬度值 。
测定维氏硬度所用的压头为金刚石制成的四方角锥体,两相对面间的夹角为 1360,所加的载荷较小 。
已知载荷 P,测得压痕两对角线长度后取平均值 d,计算维氏硬度值,单位为 kgf/mm2（ 一般不标注 ）
HV=1.8544P/d2
载荷为 5kgf,10kgf,20kgf,30kgf,50kgf和
100kgf等 6种压头压入试件表面,保持一定的时间后卸除压力,试件表面上留下压痕,
如图 4-4所示 。
维氏硬度的表示方法与布氏硬度的相同,
例,640HV30／ 20,最前数字为硬度值,后面数字依次为载荷 /
保持时间 。
4.4.2维氏硬度的特点和应用维氏硬度测试采用了四方角锥体压头,
各种载荷作用下所得的压痕几何相似,载荷大小任意选择,所得硬度值均相同,不受布氏法那种载荷 P和压头 D的规定条件的约束 。
测量范围较宽,软硬材料都可测 。
压痕为一轮廓清晰的正方形,对角线长度易于精确测量,故精度较布氏法的高 。
材料的硬度小于 450HV时,维氏硬度值与布氏硬度值大致相同 。
4.5 显微硬度
布、洛及维氏三种硬度试验只能测得组织的平均硬度值．
测定极小范围内的硬度,需用显微硬度试验,例如某个晶粒,某个组成相或夹杂物的硬度
显微硬度试验一般是指测试载荷小于
200g力的硬度试验,常用的有显微维氏硬度和努氏硬度 。
4.5.1 显微维氏硬度显微维氏硬度试验实质上就是小载荷的维氏硬度试验,其测试原理和维氏硬度试验相同,仍用 HV表示 。
测试载荷小,载荷与压痕之间的关系不一定像维氏硬度试验符合几何相似原理,必须注明载荷大小,以便比较
如 340HV0.1表示用 0.1kgf的载荷测得的维氏显微硬度为 340，
340HV0.05则是表示用 0.05kgf的载荷测得的硬度为 340.
4.5.2 努氏硬度努氏硬度是维氏硬度的发展 。
长棱形金刚石压头,两长棱夹角为
172.50,两短棱夹角为 1300(见图 4-6)。
压痕是长对角线比短对角线长度大
7倍
努氏硬度值与维氏硬度的不同，定义单位压痕投影面积上所承受的力。已知载荷 P、压痕长对角线长度 L，计算努氏硬度值 (HK)
HK＝ 14.22P/L2 (4-9)
努氏硬度试验法无国家标准，测试载荷通常为 1-50N。按金相试样的要求制备试件。
压痕浅而细长，较维氏法优越。适于测定极薄层或极薄零件，丝、带等细长件以及硬而脆的材料 (如玻璃、玛瑙、陶瓷等 )的硬度。测量精度和对表面状况的敏感度也更高。
4.5.3 显微硬度试验特点及应用特点：
1） 载荷小,压痕极小,几乎不损坏试件,便于测定微小区域内的硬度值 。
2） 灵敏度高 。
4.6肖氏硬度 （ 回跳硬度 ）
原理：金刚石圆头或钢锭球的标准冲头从一定高度 h0自由下落到试件表面,因试件的弹性变形使其回跳到某高度 h,用两个高度的比值计算肖氏硬度值
HS=Kh/h0 (4-10)
HS为肖氏硬度,K为肖氏硬度系数,C型肖氏硬度计 K=104/65 ； D型肖氏硬度计 K=140。
特点：操作简便,测量迅速,压痕小,
携带方便,可到现场进行测试等 。
主要用于检验大型工件：轧辊,机床床面,导轨,曲轴,大齿轮等的硬度 。
缺点：测定精度较低,重复性差 。
弹性模数不同的材料,其结果不能相互比较 。
4.1前言
古时,利用固体互相刻划来区分材料的软硬
硬度仍用来表示材料的软硬程度 。
硬度值大小取决于材料的性质,成分和显微组织,测量方法和条件不符合统一标准就不能反映真实硬度 。
目前还没有统一而确切的关于硬度的物理定义 。
硬度测定简便,造成的表面损伤小,基本上属于,无损,检测的范畴 。
测定硬度的方法很多,主要有压入法,回跳法和刻划法三大类 。。
4.2 布氏硬度压入法硬度,氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度,表征材料表面抵抗外物压人时引起塑性变形的能力。
4.2.1 布氏硬度测定的原理和方法压力将淬火钢球或硬质合金球压头压入试样表面，保持规定的时间后卸除压力，
试件表面留下压痕，单位压痕表面积上所承受的平均压力即定义为布氏硬度值。
施加压力 P,压头直径 D,压痕深度 h或直径 d,
计算出布氏硬度值,单位为 kgf/mm2（ 一般不标注 ） 。
（ 4-1）
公式表明,当压力和压头直径一定时,压痕直径越大,布氏硬度值越低,即变形抗力越小；反之,布氏硬度值越高 。
)(
2
22 dDDD
p
Dh
p
A
pHB
由于不同材料的硬度不同，试件的厚度不同，测定布氏硬度时需选用不同直径的压头和压力。要在同一材料上测得相同的布氏硬度，或在不同的材料上测得的硬度可以相互比较，压痕的形状必须几何相似，
压入角应相等。
布氏硬度相同时，要保证压入角相等，
则 P/D2应为常数。
国标 GB231-84根据材料的种类及布氏硬度范围，规定了 7种 P/D2之值，见表 4-1。
压头直径选定,
试件的厚度应大于压痕深度的 10倍 。 尽可能选用大直径的压头 。 根据材料及其硬度范围,
参照表 4-1选择 P/D2。
测试加载压力与试件表面垂直,均匀平稳,
无冲击 。
压力作用下的保持时间有规定,对黑色金属应为 10秒,有色金属为 30秒,对 HB＜ 35的材料为 60秒 。 压痕直径 d不在 0.25 –0.6 D 范围无效 。
符号表示：压头为淬火钢球,HBS；压头为硬质合金球,HBW
HBS或 HBW之前的数字表示硬度值,其后的数字依次为压头直径,压力和保持时间 。
例,150HBSl0／ 3000／ 30表示用 10mm直径淬火钢球,加压 3000kgf,保持 30s,测得的布氏硬度值为 150；
500HBW5／ 750,表示用硬质合金球,压头直轻
5mm,加压 750kgf,保持 10-15秒 (保持时间为 10-15，
不加标注 ),测得布氏硬度值为 500。
4.2.2 布氏硬度的特点和适用范围
压痕面积大,能反映出较大范围内材料各组成相的综合平均性能,不受个别相和微区不均匀性的影响 。 布氏硬度分散性小,重复性好
适合于测定粗大晶粒或粗大组成相的材料的硬度,象灰铸铁和轴承合金等 。
试验证明,在一定的条件下,布氏硬度与抗拉强度存在如下的经验关系
σb=k HB (4-3)
式中 k为经验常数,随材料不同而异 。 表
4-2列出了常见金属材料的抗拉强度与 HB的比例常数 。
压痕较大,不宜在实际零件表面,薄壁件,
表面硬化层上测定布氏硬度 。
淬火钢球作压头,测定 HB＜ 450的材料的硬度；
硬质合金球作压头,测定的硬度可达
650HB．
4.3 洛氏硬度
4.3.1 洛氏硬度测定的原理和方法
洛氏硬度是直接测量压痕深度,压痕愈浅表示材料愈硬
常用的压头：
顶角为 1200的金刚石圆锥体
直径为 Φ 1.588mm(1／ 16英寸 )的钢球压头
试验程序：先加 10kg预压力,再加主压力 。 预压力 +主压力 =总压力,总压力视材料的软硬而定；不同压头和施加不同的总压力,组成不同的洛氏硬度标尺 。
常用 A,B和 C三种标尺,C标尺最普遍 。 用这三种标尺的硬度记为 HRA、
HRB和 HRC。
测定 HRC采用金刚石压头，最好用图示
先加 10kgf预载，压入材料表面的深度为
t0，此时表盘上的指针指向零点 (见图
4-3(a))。
然后再加上 140kgf主载荷，压头压入表面的深度为 t1，表盘上的指针逆时针方向转到相应的刻度 (见图 4-3(b))。
卸除主载荷以后,表面变形中的弹性部分将回复,压头将回升一段距离,即 (t1-t),表盘上的指针将相应地回转 (见图 4-3(c))。
最后,在试件表面留下的残余压痕深度为 t。
为符合人的思维,即数值越大越硬,规定：
t＝ 0.2mm时,HRC＝ 0； t＝ 0,HRC＝ 100,压痕深度每增 0.002mm,HRC降低 1个单位 。 于是有
HRC＝ (0.2-t)／ 0.002＝ （ 100-t） ／ 0.002
(4-4)
图 4-3 洛氏硬度试验过程的示意图
4.3.2 洛氏硬度的优缺点及其应用优点：
① 因为硬度值可从硬度机的表盘上直接读出,故测定洛氏硬度更为简便迅速,工效高；
② 对试件表面造成的损伤较小,可用于成品零件的质量检验；
⑧ 因加有预载荷,可以消除表面轻微的不平度对试验结果的影响 。
缺点,
不同标尺的洛氏硬度值无法相互比较 。
由于压痕小,所以洛氏硬度对材料组织不均匀性很敏感,测试结果比较分散,重复性差,
4.3.3 表面洛氏硬度
洛氏硬度施加的压力大,不宜用于测定极薄的工件和表面硬化层,
发展了表面洛氏硬度试验 。
与普通洛氏硬度主要不同点：
1） 预载荷为 3kgf(29.42N),总载荷比较小,分别为 15kgf,30kgf和 45kgf(441.3N)
2） 取 t＝ 0.1mm时的洛氏硬度为零,深度每增大
0.001mm,表面洛氏硬度降低一个单位 。
4.4 维氏硬度
4.4.1 维氏硬度测定的原理和方法
维氏硬度测定的原理与方法基本上与布氏硬度的相同,根据单位压痕表面积上所承受的压力来定义硬度值 。
测定维氏硬度所用的压头为金刚石制成的四方角锥体,两相对面间的夹角为 1360,所加的载荷较小 。
已知载荷 P,测得压痕两对角线长度后取平均值 d,计算维氏硬度值,单位为 kgf/mm2（ 一般不标注 ）
HV=1.8544P/d2
载荷为 5kgf,10kgf,20kgf,30kgf,50kgf和
100kgf等 6种压头压入试件表面,保持一定的时间后卸除压力,试件表面上留下压痕,
如图 4-4所示 。
维氏硬度的表示方法与布氏硬度的相同,
例,640HV30／ 20,最前数字为硬度值,后面数字依次为载荷 /
保持时间 。
4.4.2维氏硬度的特点和应用维氏硬度测试采用了四方角锥体压头,
各种载荷作用下所得的压痕几何相似,载荷大小任意选择,所得硬度值均相同,不受布氏法那种载荷 P和压头 D的规定条件的约束 。
测量范围较宽,软硬材料都可测 。
压痕为一轮廓清晰的正方形,对角线长度易于精确测量,故精度较布氏法的高 。
材料的硬度小于 450HV时,维氏硬度值与布氏硬度值大致相同 。
4.5 显微硬度
布、洛及维氏三种硬度试验只能测得组织的平均硬度值．
测定极小范围内的硬度,需用显微硬度试验,例如某个晶粒,某个组成相或夹杂物的硬度
显微硬度试验一般是指测试载荷小于
200g力的硬度试验,常用的有显微维氏硬度和努氏硬度 。
4.5.1 显微维氏硬度显微维氏硬度试验实质上就是小载荷的维氏硬度试验,其测试原理和维氏硬度试验相同,仍用 HV表示 。
测试载荷小,载荷与压痕之间的关系不一定像维氏硬度试验符合几何相似原理,必须注明载荷大小,以便比较
如 340HV0.1表示用 0.1kgf的载荷测得的维氏显微硬度为 340，
340HV0.05则是表示用 0.05kgf的载荷测得的硬度为 340.
4.5.2 努氏硬度努氏硬度是维氏硬度的发展 。
长棱形金刚石压头,两长棱夹角为
172.50,两短棱夹角为 1300(见图 4-6)。
压痕是长对角线比短对角线长度大
7倍
努氏硬度值与维氏硬度的不同，定义单位压痕投影面积上所承受的力。已知载荷 P、压痕长对角线长度 L，计算努氏硬度值 (HK)
HK＝ 14.22P/L2 (4-9)
努氏硬度试验法无国家标准，测试载荷通常为 1-50N。按金相试样的要求制备试件。
压痕浅而细长，较维氏法优越。适于测定极薄层或极薄零件，丝、带等细长件以及硬而脆的材料 (如玻璃、玛瑙、陶瓷等 )的硬度。测量精度和对表面状况的敏感度也更高。
4.5.3 显微硬度试验特点及应用特点：
1） 载荷小,压痕极小,几乎不损坏试件,便于测定微小区域内的硬度值 。
2） 灵敏度高 。
4.6肖氏硬度 （ 回跳硬度 ）
原理：金刚石圆头或钢锭球的标准冲头从一定高度 h0自由下落到试件表面,因试件的弹性变形使其回跳到某高度 h,用两个高度的比值计算肖氏硬度值
HS=Kh/h0 (4-10)
HS为肖氏硬度,K为肖氏硬度系数,C型肖氏硬度计 K=104/65 ； D型肖氏硬度计 K=140。
特点：操作简便,测量迅速,压痕小,
携带方便,可到现场进行测试等 。
主要用于检验大型工件：轧辊,机床床面,导轨,曲轴,大齿轮等的硬度 。
缺点：测定精度较低,重复性差 。
弹性模数不同的材料,其结果不能相互比较 。
