2.5 硬度试验

2.5.1 概述

硬度表征的是固体材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力，反映了材料的软硬程度。

硬度不是一个简单的物理概念，而是材料弹性、塑性、强度和韧性等力学性能的综合指标。如刻划法型硬度试验表征金属抵抗破裂的能力，而压入法型硬度试验表征金属抵抗变形的能力。

硬度数据与其他力学性能存在一定关系，如抗拉强度。原因在于硬度和抗拉强度都与大塑性变形抗拉有关。

2.5.2 硬度的测试方法及分类

硬度试验是应用泛的力学性能试验，根据受力方式，可分为压人法和划痕法。在压入法中，按照加力速度不同又可分为静态力试验法和动态力试验法。通常所采用的布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等均属于静态力试验法，肖氏硬度、里氏硬度和锤击布氏硬度等属于动态力试验法。

硬度测试方法的分类

硬度测量方法的使用范围

其中肖氏硬度也称为回跳法，所以又可以分为：压入法、弹性回跳法和划痕法。

同一类方式的硬度可以换算；不同类方式则只能采用同一种材料进行标定。

实验方法简单，无须加工试样；

造成的表面损伤小，基本属于“无损”或微损检测范围；

与其他静载荷下的力学性能指标之间存在一定关系，如可以由硬度大致推测强度值；

测量范围大可至多个晶粒，小可测单个晶粒，甚至几个原子范围（纳米压痕仪(NanoIndenter)）。

2.5.3 概念

布氏硬度（HB）：材料抵抗通过硬质合金球压头施加试验力所产生压痕变形的度量单位。

努氏硬度（HK）：材料抵抗通过金刚石菱形锥体压头施加试验力所产生压痕变形的度量单位。

肖氏硬度（HS）：应用弹性回跳法将撞销（具有的小锥，上镶有金刚钻）从一定高度落到所测试材料的表面上而发生回跳，用测得的撞销回调高度来表示的硬度。

洛氏硬度（HR）：材料抵抗通过硬质合金，或对应某一标尺的金刚石圆锥体压头施加试验力所产生压痕变形的度量单位。

维氏硬度（HV）：材料抵抗通过金刚石正四棱锥体压头施加试验力所产生压痕变形的度量单位。

里氏硬度（HL）：将规定质量的冲击体，在弹性力作用下以一定速度冲击试样表面，用冲头在距试样表面1mm处的回弹速度与冲击速度的比值计算的硬度值。

标准块：用于压痕硬度计间接检验、带有检定合格的压痕值得标准块状物质。

硬度测试试验

2.5.4 硬度与材料抗拉强度的关系

金属的压入硬度与抗拉强度成正比例关系：

σ_b=kHB

其中k为比例系数，不同金属材料的k值不同，同一种类的金属经过热处理后，硬度和强度发生变化，但k值基本保持不变；

经过冷变形后，金属材料的k值不再是常数；

钢铁材料的k大约是3.3；

精确的强度数据要靠直接测量得到。

2.5.5 布氏硬度

原理：用一定直径的压头（球体），以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸载后，测量材料表面压痕直径，以此计算出硬度值。

压头：淬火钢球或硬质合金钢球。

载荷、压头直径、保持时间是布氏硬度试验三要素。

布氏硬度的表示方法

布氏硬度值单位为公斤力/mm²（N/mm²）；布氏硬度上限值为HB650，不能高于此值。

优点：压痕面积大，反映较大范围内材料的硬度性能；试验数据稳定，重复性好，应用广泛；适用于晶粒粗大、相组成复杂、相尺寸较大的材料。

缺点：属于有损检测，压痕较大，不能在成品表面进行检测；操作复杂，效率低，不能连续检测。

布氏硬度测试设备

2.5.6  洛氏硬度

原理：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。

洛氏硬度载荷较大，不宜用于测量极薄试样和表面硬化层，采用表面洛氏硬度测量。

优点：操作简单迅速，效率高，可直接读出硬度值；压痕小，可测量成品或较薄工件；可测量软硬不同的材料硬度。

缺点：压痕较小，代表性差；材料有偏析或组织不均匀时，数据重复性差；不同等级的洛氏硬度数据不具可比性。

压头—顶角120°金刚石圆锥或直径1.588mm的淬火钢球

1-1 —加上初载荷后压头的位置；

2-2 —加上初载荷+主载荷后压头的位置；

3-3 —卸去主载荷后压头的位置；

he —卸去主载荷的弹性恢复；

洛氏硬度标尺

洛氏硬度的表示方法

洛氏硬度试验设备

2.5.7  维氏硬度

原理：在一定的静检测力作用将压头下压入试样的表面，保持规定时间后卸除检测力，试样表面留下四方锥形的压痕。计算出压痕凹印面积，维氏硬度是检测力除以压痕表面积所得的商。

压头—金刚石材质，正四棱锥体，面角为136°

维氏硬度检测时对于硬度均匀的材料可以任意选择检测力，其硬度值不变，这是维氏硬度检测法的优点。

选择面角为136°的角锥体，是为了使维氏硬度和布氏硬度有相近的示值以便进行比较。

表示方法：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，超出范围需要标注上保持时间。600HV30—表示采用30kgf的试验力，保持10~15s得到的硬度值为600；600HV30/20—表示采用30kgf的试验力，保持20s得到的硬度值为600。

适用范围：按试验力的大小，分为维氏硬度、小负荷维氏硬度、显微维氏硬度。维氏硬度检测：除特别小和薄试样层的样品外，测量范围可覆盖所有金属。小负荷维氏硬度检测：特别适宜于测量钢表面强化层及化学热处理表面层以及各种渗层、渡层等的表面硬度。显微维氏硬度检测：除用于产品的硬度检验外，在金属学、金相学研究方面也是的试验方法之一。

优点：适用范围广，从极软到极硬材料都可测量；测量精度高，可比性强；硬度值与试验力大小无关。

缺点：测量操作较麻烦，测量效率低；不适于大批生产和测量组织不均匀材料。

维氏硬度试验设备

2.5.8 显微硬度

显微硬度是指一般指加载小于0.2kgf的硬度试验，分为显微维氏硬度和显微努氏硬度。

显微硬度测定极小范围内的硬度，几乎不损坏试样，例如某个晶粒、组成相或夹杂物的硬度，显微硬度可测陶瓷、玻璃、玛瑙等脆性材料的硬度，且灵敏度高，适合评定细线材的加工硬化程度。

维氏压头压痕（左）、努氏压头压痕（右）

（1）金属材料和金相的研究：广泛用于测定金属及合金中各组成相的硬度，剖析其对合金性能的供献，为合金的正确设计提供依据。

（2）金属表面层性能的研究：扩散层性能的研究，例如渗碳层，氮化层，金属扩散层等；（表面加工硬化层性能的研究。如金属表层受机械加工，热加工的影响。

（3）晶粒内部不均匀性的研究；

（4）极细薄金属制成品硬度的测量。

2.5.9 肖氏硬度

原理：将规定形状的金刚石冲头从固定的高度h₀落在试样表面上，冲头弹起一定高度h，用h与h₀的比值计算肖氏硬度值（材料的硬度与回调高度成正比）。与前面三种静态压入法硬度不同，肖氏硬度是一种动态力试验法。

肖氏硬度计及结构图

试样要求：试样的质量应至少在0.1kg以上，厚度一般应在10mm以上；试样的试验面积应尽可能大；表面应无氧化皮及外来污物，不应带有磁性。

表示方法：HS前数字表示硬度数值，HS后表示硬度标尺类型。45HSC—表示C型硬度计测定的硬度值为45；45HSD—表示D型硬度计测定的硬度值为45。

优点：操作简单、效率高；试验后几乎不产生压痕，可在成品件上试验

缺点：测量精度低、重复性差，适合精度要求高的测试。

2.6 相关标准

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