硬度測量原理

1、第二節(jié) 硬度 硬度是指材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力，是衡量材料軟硬的判據，是一個綜合的物理量。 材料的硬度越高，耐磨性越好，故常將硬度值作為衡量材料耐磨性的重要指標之一。 硬度的測定常用壓入法。把規(guī)定的壓頭壓入金屬材料表面層，然后根據壓痕的面積或深度確定其硬度值。根據壓頭和壓力不同，常用的硬度指標有布氏硬度（HBS、HBW）、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC等）和維氏硬度（HV）。 一、布氏硬度 1、試驗原理 用直徑為D的淬火鋼球或硬質合金球，以相應的試驗力F壓入試樣表面，保持規(guī)定的時間后卸除試驗力，在試樣表面留下球形壓痕，如左圖所示。布氏硬度值用球面壓痕單位面積上所承受

2、的平均壓力表示。用淬火鋼球作壓頭時，布氏硬度用符號“HBS”表示;用硬質合金球作壓頭，布氏硬度用符號“HBW”表示。 HBS(HBW)：用鋼球（硬質合金球）試驗的布氏硬度值； F：試驗力（N）； d：壓痕平均直徑（mm）； D：鋼球（硬質合金球）直徑（mm） 布氏硬度的單位為N/mm2，但習慣上只寫明硬度值而不標出單位。 2、選擇試驗規(guī)范 在進行布氏硬度試驗時，鋼球直徑、施加的試驗力和試驗力保持時間、應根據被測試金屬的種類和試樣厚度，按下表所示的布氏硬度試驗規(guī)范正確地進行選擇。 布氏硬度試驗規(guī)范 材料 布氏硬度 0.102/D 2 備注 鋼及鑄鐵 140 140 10 30 單位： 單位： m

3、m 銅及其合金 35 35130 130 5 10 30 輕金屬及其合金 35 3580 80 25 10 10 鉛、錫 1.25 由布氏硬度值的計算公式可以看出，當所加試驗力與鋼球（或硬質合金球）直徑已選定時，硬度埴HBS（HBW）只與壓痕直徑d 有關。d 越大，則HBS（HBW）值越小，表明材料越軟；反之，d 越小，HBS（HBW）值越大，表明材料越硬。 除了采用鋼球（或硬質合金球）直徑為10，試驗力為3000（），保持時間1015s的試驗條件外，在其它試驗條件下測得的硬度值，應在符號HBS的后面用相應的數字注明壓頭直徑、試驗力大小和試驗力保持時間。 如120HBS10/1000/30，即

4、表示用10mm的鋼球作壓頭，在1000kgf(9807N)的試驗力作用下，保持時間為30s后所測得的硬度值為120。 如500HB5/750，即表示用5mm的硬質鋼球作壓頭，在750kgf(735N)的試驗力作用下，保持時間為0115s后所測得的硬度值為500。 淬火鋼球用于測定硬度HBS450的金屬材料，如灰鑄鐵、有色金屬以及退火、正火和調質處理的鋼材等。為了避免壓頭變形，可用硬質合金球壓頭，它適用于測試HBW650的金屬材料。（我國目前布氏硬度試驗機壓頭主要是淬火鋼球。） 3、試驗的優(yōu)缺點 布氏硬度試驗的優(yōu)點是：試驗時使用的壓頭直徑較大，在試樣表面上留下壓痕也較大，測得的硬度值也較準確。

5、布氏硬度試驗的缺點是：對金屬表面的損傷較大，不易測試太薄工件的硬度，也不適于測定成品件的硬度。 布氏硬度試驗常用來測定原材料、半成品及性能不均勻的材料（如鑄鐵）硬度。 二、洛氏硬度 1、試驗原理 洛氏硬度是以頂角為120°的金剛石圓錐體或直徑為1.588的淬火鋼球作壓頭，以規(guī)定的試驗力使其壓入試樣表面。試驗時，先加初試驗力，然后加主試驗力。壓入試樣表面之后卸除主試驗力，在保留初試驗力的情況下，根據試樣表面壓痕深度，確定被測金屬材料的洛氏硬度值。 如下圖所示，00為金剛石壓頭還沒有和試樣接觸的位置。11是在初試驗力作用下壓頭所處的位置，壓入深度為h1，目的是為了消除由于試樣表面不光潔對

6、試驗結果的精確性造成的不良影響。圖中22在總試驗力（初試力主試驗力）作用下壓頭所處位置，壓入深度為h2。33是卸除主試驗力后壓頭所處的位置，由于金屬彈性變形得到恢復，此時壓頭實際壓入深度為h3。故由于主試驗力所引起的塑性變形而使壓頭壓入深度為hh3h1。洛氏硬度值由h的大小確定，壓入深度h越大，硬度越低；反之，則硬度越高。一般說來，按照人們習慣上的概念，數值越大，硬度越高。因此采用一個常數c減去h來表示硬度的高低。并用每0.002的壓痕深度為一個硬度單位。由此獲得的硬度值稱為洛氏硬度值，用符號表示。 式中，c為常數（對于 HRC、HRA，c取0.2；對于HRB，c取0.26）。由此獲得的洛氏硬

7、度值為一無名數，試驗時一般由試驗機指示器上直接讀出。 2、常用洛氏硬度標尺及適用范圍 標尺 壓頭類型 總試驗力 kgf 硬度值有效范圍 應用 HRA HRB HRC 120°金剛石圓錐體 (1/16) ” ( 1.588)鋼球 120°金剛石圓錐體 600 1000 1500 7088 20100 2070 硬質合金、表面淬火層或滲碳層等 有色金屬、退火、正火鋼等 淬火鋼、調質鋼等 上述洛氏硬度的三種標尺中，以應用最多，一般經淬火處理的鋼或工具都采用測量。在中等硬度情況下，洛氏硬度與布氏硬度之間關系約為1：10，如40相當于400。 如50，表示用標尺測定的洛氏硬度值為50

8、。硬度值應在有效測量范圍內（為2070）為有效。 3、試驗優(yōu)缺點 優(yōu)點：操作簡單迅速，效率高，直接從指示器上可讀出硬度值； 壓痕小，故可直接測量成品或較薄工件的硬度； 對于和采用金剛石壓頭，可測量高硬度薄層和深層的材料。 缺點：由于壓痕小，測得的數值不夠準確，通常要在試樣不同部位測定四次以上，取其平均值為該材料的硬度值。 三、維氏硬度 布氏硬度試驗不適用于測定硬度較高的材料。 洛氏硬度試驗雖然可用于測定較材料和硬材料，但其硬度值不能進行比較。 維氏硬度試驗可以測量從軟到硬的各種材料以及金屬零件的表面硬度，并有連續(xù)一致的硬度標尺。 1、試驗原理 維氏硬度試驗原理與布氏硬度相似，也是根據壓痕單位表

9、面積上的試驗力大小來計算硬度值。區(qū)別在于壓頭采用錐面夾角為136°的金剛石正四棱錐體，將其以選定的試驗力壓入試樣表面，按規(guī)定保持一定時間后卸除試驗力，測量壓痕兩對角線長度，如書上圖15所示。維氏硬度值用四棱錐壓痕單位面積上所承受的平均壓力表示，符號。 式中作用在壓頭上的試驗力（） d壓痕兩對角線長度的平均值（） 值的單位為 / 2 ，但習慣上只寫出硬度值而不標出單位。 2、常用試驗力及其適用范圍 維氏硬度試驗所用試驗力視其試件大小、薄厚及其它條件，可在49.03980.7的范圍內選擇試驗力。常用的試驗胃有49.03、98.07、196.1、294.2、490.3、980.7。 符號前面的數字為硬度值，后面依次用相應數字注明試驗力和試驗力保持時間（1015s不標注）。如,表示30kgf (294.2N) 試驗力，保持時間為20s測得維氏硬度值為640。 維氏硬度法適用范圍寬，尤其適用于測定金屬鍍層、薄片金屬及化學熱處理后的表面硬度，其結果精確可靠。當試驗力小于0.2 kgf（1.961）時，可用于測量金相組織中不同相的硬度。 3、試驗優(yōu)缺點 優(yōu)點：與布氏、洛氏硬度試驗比較，維氏硬度試驗不存在試驗力與壓頭直徑有一定比例關系的約束； 不存在壓頭變形問題； 壓痕輪廓清晰，采用對角線長度計量，精確可靠，硬