硬度介绍

前言：

    材料局部抵抗硬物压入其表面的能力称为硬度。硬度能综合反映材料的强度等其他力学性能；硬度与耐磨性具有直接关系，硬度越高，耐磨性越好，所以硬度测量应用极为广泛。其测量可采用压入法、加弹法、划痕法等测量方法。生产中常用压入法（有布氏硬度法、洛氏硬度法、维氏硬度法等）。

布氏硬度计	洛氏硬度计	维氏硬度计

1、布氏硬度：HB（Brinell-hardness )（HBS、HBW ）

1.1 布氏硬度测量原理[1]：

    采用直径为D的球形压头，以相应的试验力F压入材料的表面，经规定保持时间后卸除试验力，用读数显微镜测量残余压痕平均直径d，用球冠形压痕单位表面积上所受的压力表示硬度值。实际测量可通过测出d值后查表获得硬度值。

    HBS——表示用淬火钢球压头测量的布氏硬度值。适用范围：小于450；   

    HBW——表示用硬质合金压头测量的布氏硬度值。适用范围：450~650

布氏硬度的测量原理

1.2布氏硬度表示方法：

    符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。

    如:120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。

1.3 布氏硬度特点：

    优点：测量数值稳定，准确，能较真实地反映材料的平均硬度；

    缺点：压痕较大，操作慢，不适用批量生产的成品件和薄形件。

1.4 布氏硬度测量范围：

    用于原材料与半成品硬度测量，可用于测量铸铁；非铁金属（有色金属）、硬度较低的钢（如退火、正火、调质处理的钢）。

2、洛氏硬度：HR（Rockwll hardnes）

2.1洛氏硬度测量原理[2]：

    用金刚石圆锥或淬火钢球压头，在试验压力F 的作用下，将压头压入材料表面，保持规定时间后，去除主试验力，保持初始试验力，用残余压痕深度增量计算硬度值，实际测量时，可通过试验机的表盘直接读出洛氏硬度的数值。

HR = N - h/S

                                               N——常数，金刚石压头取值100，球形压头取值130 

                                               h——卸除主试验力，在初试验力下压痕残留的深度

                                               S——给定标尺的单位

洛氏硬度测量原理

2.2洛氏硬度测量条件：

    洛氏硬度可以测量从软到硬较大范围的硬度值，根据被测对象硬度值大小不同，可用不同的压头和试验力，如下表。

2.3 洛氏硬度特点：

    优点：测量迅速、简便、压痕小、硬度测量范围大 ，   

    缺点：数据准确性、稳定性、重复性不如布氏硬度。

2.4 洛氏硬度测量范围：

    可用于成品和薄件，但不宜测量组织粗大不均匀的材料（如上表所示）。

3、维氏硬度：HV（diamond penetrator hardness） 

3.1维氏硬度测量原理[3]：

    与布氏硬度相似。采用相对面夹角为136o金刚石正四棱锥压头，以规定的试验力F压入材料的表面，保持规定时间后卸除试验力，用正四棱锥压痕单位表面积上所受的平均压力表示硬度值。                                      

    HV = 常数×试验力/压痕表面积 ≈0.1891 F／d2 

    式中：HV——维氏硬度符号；

　　      F——试验力，N；

　　      d——压痕两对角线d1、d2的算术平均值，mm；

维氏硬度测量原理

3.2维氏硬度的表示方法：

    维氏硬度表示为HV，维氏硬度符号HV前面的数值为硬度值，后面为试验力值。标准的试验保持时间为10～15S。如果选用的时间超出这一范围，在力值后面还要注上保持时间为10～15S。如果选用的时间超出这一范围，在力值后面还要注上保持时间。例如：

    600HV30—表示采用294.2N（30kg）的试验力，保持时间10～15S时得到的硬度值为600。

    600HV30/20—表示采用294.2N（30kg）的试验力，保持时间20S时得到的硬度值为600。

3.3 维氏硬度试验的特点

    优点：维氏硬度试验的压痕是正方形，轻廓清晰，对角线测量准确，因此，维氏硬度试验是常用硬度试验方法中精度最高的，同时它的重复性也很好，这一点比布氏硬度计优越。

    维氏硬度试验测量范围宽广，可以测量目前工业上所用到的几乎全部金属材料，从很软的材料（几个维氏硬度单位）到很硬的材料（3000个维氏硬度单位）都可测量。

    维氏硬度试验最大的优点在于其硬度值与试验力的大小无关，只要是硬度均匀的材料，可以任意选择试验力，其硬度值不变。这就相当于在一个很宽广的硬度范围内具有一个统一的标尺。这一点又比洛氏硬度试验来得优越。

    在中、低硬度值范围内，在同一均匀材料上，维氏硬度试验和布氏硬度试验结果会得到近似的硬度值。例如，当硬度值为400以下时，HV≈HB，如图3-2所示。

    维氏硬度试验的试验力可以小到10gf，压痕非常小，特别适合测试薄小材料。

    缺点：维氏硬度试验效率低，要求较高的试验技术，对于试样表面的光洁度要求较高，通常需要制作专门的试样，操作麻烦费时，通常只在实验室中使用。

3.4 维氏硬度计的应用

    维氏硬度试验主要用于材料研究和科学试验方面小负荷维氏硬度试验主要用于测试小型精密零件的硬度，表面硬化层硬度和有效硬化层深度，镀层的表面硬度，薄片材料和细线材的硬度，刀刃附近的硬度，牙科材料的硬度等，由于试验力很小，压痕也很小，试样外观和使用性能都可以不受影响。显微维氏硬氏试验主要用于金属学和金相学研究。用于测定金属组织中各组成相的硬度，用于研究难熔化合物脆性等。显微维氏硬度试验还用于极小或极薄零件的测试，零件厚度可薄至３μm。

参考文献：

[1] GB/T 231.1-2009  金属材料 布氏硬度试验 第1部分：试验方法

[2] GB/T 230.1-2009  金属材料洛氏硬度试验 第1部分：试验方法(A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T标尺)

[3] GB/T 4340.1-2009 金属材料 维氏硬度试验 第1部分：试验方法

*** 报告结束 ***

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