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材料硬度的测试原理和计算公式

硬度是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力，是衡量材料软硬的判据，是一个综合的物理量。
材料的硬度越高，耐磨性越好，故常将硬度值作为衡量材料耐磨性的重要指标之一。
硬度的测定常用压入法。把规定的压头压入金属材料表面层，然后根据压痕的面积或深度确定其硬度值。根据压头和压力不同，常用的硬度指标有布氏硬度（HBS、HBW）、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC等）和维氏硬度（HV）。

一、洛氏硬度

    1、试验原理
    洛氏硬度是以顶角为120°的金刚石圆锥体或直径为Φ1.588㎜的淬火钢球作压头，以规定的试验力使其压入试样表面。试验时，先加初试验力，然后加主试验力。压入试样表面之后卸除主试验力，在保留初试验力的情况下，根据试样表面压痕深度，确定被测金属材料的洛氏硬度值。
         文本框:

如图所示，0－0为金刚石压头还没有和试样接触的位置。1－1是在初试验力作用下压头所处的位置，压入深度为h1，目的是为了消除由于试样表面不光洁对试验结果的**性造成的**影响。图中2－2在总试验力（初试力＋主试验力）作用下压头所处位置，压入深度为h2。3－3是卸除主试验力后压头所处的位置，由于金属弹性变形得到恢复，此时压头实际压入深度为h3。故由于主试验力所引起的塑性变形而使压头压入深度为h＝h3－h1。洛氏硬度值由h的大小确定，压入深度h越大，硬度越低；反之，则硬度越高。一般说来，按照人们习惯上的概念，数值越大，硬度越高。因此采用一个常数c减去h来表示硬度的高低。并用每0.002㎜的压痕深度为一个硬度单位。由此获得的硬度值称为洛氏硬度值，用符号ＨＲ表示。

式中，c为常数（对于 HRC、HRA，c取0.2；对于HRB，c取0.26）。由此获得的洛氏硬度值ＨＲ为一无名数，试验时一般由试验机指示器上直接读出。

2、常用洛氏硬度标尺及适用范围

标　尺	压头类型	总试验力 kgf	硬度值有效范围		应　　用
HRA HRB HRC	120°金刚石圆锥体 (1/16) ” ( Φ1.588㎜)钢球 120°金刚石圆锥体	600 1000 1500	70－88 20－100 20－70	硬质合金、表面淬火层或渗碳层等有色金属、退火、正火钢等淬火钢、调质钢等

    上述洛氏硬度的三种标尺中，以ＨＲＣ应用*多，一般经淬火处理的钢或工具都采用ＨＲＣ测量。在中等硬度情况下，洛氏硬度ＨＲＣ与布氏硬度ＨＢＳ之间关系约为1：10，如40ＨＲＣ　相当于400ＨＢＳ　。如50ＨＲＣ，表示用ＨＲＣ标尺测定的洛氏硬度值为50。硬度值应在��效测量范围内（ＨＲＣ为20－70）为有效。
    3、试验优缺点
    优点：①操作简单迅速，效率高，直接从指示器上可读出硬度值；
        ②压痕小，故可直接测量成品或较薄工件的硬度；
         ③对于ＨＲＡ和ＨＲＣ采用金刚石压头，可测量高硬度薄层和深层的材料。
    缺点：由于压痕小，测得的数值不够准确，通常要在试样不同部位测定四次以上，取其平均值为该材料的硬度值。

二、布氏硬度
1、试验原理

用直径为D的淬火钢球或硬质合金球，以相应的试验力F压入试样表面，保持规定的时间后卸除试验力，在试样表面留下球形压痕，如左图所示。布氏硬度值用球面压痕单位面积上所承受的平均压力表示。用淬火钢球作压头时，布氏硬度用符号“HBS”表示;用硬质合金球作压头，布氏硬度用符号“HBW”表示。
文本框:

    HBS(HBW)：用钢球（硬质合金球）试验的布氏硬度值；
    F：试验力（N）；     d：压痕平均直径（mm）；     D：钢球（硬质合金球）直径（mm）．
    布氏硬度的单位为N/mm2，但习惯上只写明硬度值而不标出单位。

    2、选择试验规范
    在进行布氏硬度试验时，钢球直径Ｄ、施加的试验力Ｆ和试验力保持时间、应根据被测试金属的种类和试样厚度，按下表所示的布氏硬度试验规范正确地进行选择。
    布氏硬度试验规范

材料	布氏硬度		0.102Ｆ/D 2		备注
钢及铸铁	＜ 140 ＞ 140		10 30	Ｆ单位：　ＮＤ单位：　 mm
铜及其合金	＜ 35 35－130 ＞ 130	5 10 30
轻金属及其合金	＜ 35 35－80 ＞ 80	25 10 10
铅、锡			1.25

    由布氏硬度值的计算公式可以看出，当所加试验力Ｆ与钢球（或硬质合金球）直径Ｄ已选定时，硬度埴HBS（HBW）只与压痕直径d 有关。d 越大，则HBS（HBW）值越小，表明材料越软；反之，d 越小，HBS（HBW）值越大，表明材料越硬。
    除了采用钢球（或硬质合金球）直径Ｄ为10ｍｍ，试验力Ｆ为3000ｋｇｆ（２９４２１Ｎ），保持时间10－15s的试验条件外，在其它试验条件下测得的硬度值，应在符号HBS的后面用相应的数字注明压头直径、试验力大小和试验力保持时间。
    如120HBS10/1000/30，即表示用10mm的钢球作压头，在1000kgf(9807N)的试验力作用下，保持时间为30s后所测得的硬度值为120。如500HBＷ5/750，即表示用5mm的硬质钢球作压头，在750kgf(735N)的试验力作用下，保持时间为01－15s后所测得的硬度值为500。
    淬火钢球用于测定硬度HBS＜450的金属材料，如灰铸铁、有色金属以及退火、正火和调质处理的钢材等。为了避免压头变形，可用硬质合金球压头，它适用于测试HBW＜650的金属材料。（我国目前布氏硬度试验机压头主要是淬火钢球。）
    3、试验的优缺点
    布氏硬度试验的优点是：试验时使用的压头直径较大，在试样表面上留下压痕也较大，测得的硬度值也较准确。
    布氏硬度试验的缺点是：对金属表面的损伤较大，不易测试太薄工件的硬度，也不适于测定成品件的硬度。
布氏硬度试验常用来测定原材料、半成品及性能不均匀的材料（如铸铁）硬度。

三、维氏硬度

布氏硬度试验不适用于测定硬度较高的材料。
洛氏硬度试验虽然可用于测定较材料和硬材料，但其硬度值不能进行比较。
维氏硬度试验可以测量从软到硬的各种材料以及金属零件的表面硬度，并有连续一致的硬度标尺。

1、试验原理

维氏硬度试验原理与布氏硬度相似，也是根据压痕单位表面积上的试验力大小来计算硬度值。区别在于压头采用锥面夹角为136°的金刚石正四棱锥体，将其以选定的试验力压入试样表面，按规定保持一定时间后卸除试验力，测量压痕两对角线长度，如书上Ｐ９图1－5所示。维氏硬度值用四棱锥压痕单位面积上所承受的平均压力表示，符号ＨＶ。

式中　Ｆ－作用在压头上的试验力（Ｎ）,d－压痕两对角线长度的平均值（㎜）,ＨＶ值的单位为Ｎ /㎜ 2 ，但习惯上只写出硬度值而不标出单位。

    2、常用试验力及其适用范围
    维氏硬度试验所用试验力视其试件大小、薄厚及其它条件，可在49.03－980.7Ｎ的范围内选择试验力。常用的试验胃有49.03、98.07、196.1、294.2、490.3、980.7Ｎ。ＨＶ符号前面的数字为硬度值，后面依次用相应数字注明试验力和试验力保持时间（10－15s不标注）。如６４０／ＨＶ３０／２０,表示30kgf (294.2N) 试验力，保持时间为20s测得维氏硬度值为640。
    维氏硬度法适用范围宽，尤其适用于测定金属镀层、薄片金属及化学热处理后的表面硬度，其结果**可靠。当试验力小于0.2 kgf　（1.961Ｎ）时，可用于测量金相组织中不同相的硬度。

3、试验优缺点
    优点：①与布氏、洛氏硬度试验比较，维氏硬度试验不存在试验力与压头直径有一定比例关系的约束；          ②不存在压头变形问题； ③压痕轮廓清晰，采用对角线长度计量，**可靠，硬度值误差较小。
    缺点：其硬度值需要先测量对角线长度，然后经计算或查表确定，故效率不如洛氏硬度试验高。
    根据压头形状、材料及加载大小的不同，硬度可有布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度，它们适用于不同的材料。各种硬度的压头形状、材料、载荷、运用范围等见下表。
　

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