硬度基础概念

硬度基本概念
1、基本常用介绍
1.1基本概念
材料局部抵抗硬物压入其表面的能力称为硬度。

固体对外界物体入侵的局部抵抗能力，是比较各种材料软硬的指标。

由于规定了不同的测试方法，所以有不同的硬度标准。

各种硬度标准的力学含义不同，相互不能直接换算，但可通过试验加以对比。

硬度分为：①划痕硬度。

主要用于比较不同矿物的软硬程度，方法是选一根一端硬一端软的棒，将被测材料沿棒划过，根据出现划痕的位置确定被测材料的软硬。

定性地说，硬物体划出的划痕长，软物体划出的划痕短。

②压入硬度。

主要用于金属材料，方法是用一定的载荷将规定的压头压入被测材料，以材料表面局部塑性变形的大小比较被测材料的软硬。

由于压头、载荷以及载荷持续时间的不同，压入硬度有多种，主要是布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度等几种。

③回跳硬度。

主要用于非金属材料，方法是使一特制的小锤从一定高度自由下落冲击被测材料的试样，并以试样在冲击过程中储存（继而释放）应变能的多少（通过小锤的回跳高度测定）确定材料的硬度。

早在1822年，Friedrich mohs提出用10种矿物来衡量世界上最硬的和最软的物体，这是所谓的摩氏硬度计。

按照他们的软硬程度分为十级：1）滑石2）石膏3）方解石4）萤石5）磷灰石
6）正长石7）石英8）黄玉9）刚玉10）金刚石
简单记忆方法：滑石方、萤磷长、石英黄玉刚金刚。

各级之间硬度的差异不是均等的，等级之间只表示硬度的相对大小。

试验钢铁硬度的最普通方法是用锉刀在工件边缘上锉擦,由其表面所呈
现的擦痕深浅以判定其硬度的高低。

这种方法称为锉试法，这种方法不太科学。

用硬度试验机来试验比较准确,是现代试验硬度常用的方法。

常用的硬度测定方法有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度[1]等测试方法
硬度是衡量金属材料软硬程度的一项重要的性能指标，它既可理解为是材料抵抗弹性变形、塑性变形或破坏的能力，也可表述为材料抵抗残余变形和反破坏的能力。

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。

硬度试验根据其测试方法的不同可分为静压法（如布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等）、划痕法（如莫氏硬度）、回跳法（如肖氏硬度）及显微硬度、高温硬度等多种方法。

布氏硬度以HB[N(kgf/mm2)]表示（HBS\HBW）（参照GB/T231－198 4），生产中常用布氏硬度法测定经退火、正火和调质的钢件，以及铸铁、有色金属、低合金结构钢等毛胚或半成品的硬度。

洛氏硬度可分为HRA、HRB、HRC、HRD四种，它们的测量范围和应用范围也不同。

一般生产中HRC用得最多。

压痕较小，可测较薄的材料和硬的材料和成品件的硬度。

维氏硬度以HV表示（参照GB/T4340-1999），测量极薄试样。

1.2钢材的硬度
金属硬度(Hardness)的代号为H。

按硬度试验方法的不同，
常规表示有布氏（HB）、洛氏（HRC）、维氏（HV）、里氏（HL）硬度等，其中以HB及HRC较为常用。

HB应用范围较广，HRC适用于表面高硬度材料，如热处理硬度等。

两者区别在于硬度计之测头不同，布氏硬度计之测头为钢球，而洛氏硬度计之测头为金刚石。

HV-适用于显微镜分析。

维氏硬度(HV) 以120kg以内的载荷和顶角为1 36°的金刚石方形锥压入器压入材料表面，用材料压痕凹坑的表面积除以载荷值，即为维氏硬度值(HV)。

HL手提式硬度计，测量方便，利用冲击球头冲击硬度表面后，产生弹跳；利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硬度，公式：里氏硬度HL=1000×VB（回弹速度）/ VA（冲击速度）。

便携式里氏硬度计用里氏（HL）测量后可以转化为：布氏（HB）、洛氏（HRC）、维氏（HV）、肖氏（HS）硬度。

或用里氏原理直接用布氏（H B）、洛氏（HRC）、维氏（HV）、里氏（HL）、肖氏（HS）测量硬度值。

1.3HB - 布氏硬度；
布氏硬度(HB)一般用于材料较软的时候，如有色金属、热处理之前或退火后的钢铁。

洛氏硬度(HRC)一般用于硬度较高的材料，如热处理后的硬度等等。

布式硬度(HB)是以一定大小的试验载荷，将一定直径的淬硬钢球或硬质合金球压入被测金属表面，保持规定时间，然后卸荷，测量被测表面压痕直径。

布式硬度值是载荷除以压痕球形表面积所得的商。

一般为：以一定的载荷(一般3000kg)把一定大小(直径一般为10mm)的淬硬钢球压入材料表面，保持一段时间，去载后，负荷与其压痕面积之比值，即为布氏硬度值(HB)，单位为公斤力/mm2 (N/mm2)。

1.4洛式硬度
是以压痕塑性变形深度来确定硬度值指标。

以0.002毫米作为一个硬度单位。

当HB>450或者试样过小时，不能采用布氏硬度试验而改用洛氏硬度计量。

它是用一个顶角120°的金刚石圆锥体或直径为1.59、3.18mm的钢球，在一定载荷下压入被测材料表面，由压痕的深度求出材料的硬度。

根据试验材料硬度的不同，分三种不同的标度来表示：
HRA：是采用60kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度极高的材料(如硬质合金等)。

HRB：是采用100kg载荷和直径1.58mm淬硬的钢球，求得的硬度，用于硬度较低的材料(如退火钢、铸铁等)。

HRC：是采用150kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高的材料(如淬火钢等)。

1.5其他
1.HRC含意是洛式硬度C标尺，
2.HRC和HB在生产中的应用都很广泛
3.HRC适用范围HRC 20－－67，相当于HB225－－650
若硬度高于此范围则用洛式硬度A标尺HRA。

若硬度低于此范围则用洛式硬度B标尺HRB。

布式硬度上限值HB650,不能高于此值。

4.洛氏硬度计C标尺之压头为顶角120度的金刚石圆锥，试验载荷为一确定值，中国标准是150公斤力。

布氏硬度计之压头为淬硬钢球（HBS)或硬质合金球（HBW），试验载荷随球直径不同而不同，从3000到31.25公斤力。

5.洛式硬度压痕很小，测量值有局部性，须测数点求平均值，适用成品和薄片，归于无损检测一类。

布式硬度压痕较大，测量值准，不适用成品和薄片，一般不归于无损检测一类。

6.洛式硬度的硬度值是一无名数，没有单位。

（因此习惯称洛式硬度为多少度是不正确的。

）
布式硬度的硬度值有单位，且和抗拉强度有一定的近似关系。

7.洛式硬度直接在表盘上显示、也可以数字显示，操作方便，快捷直观，适用于大量生产中。

布式硬度需要用显微镜测量压痕直径，然后查表或计算，操作较繁琐。

8.在一定条件下，HB与HRC可以查表互换。

其心算公式可大概记为：1HRC≈1/10HB。

1.6硬度测定
硬度试验是机械性能试验中最简单易行的一种试验方法。

为了能用硬度试验代替某些机械性能试验，生产上需要一个比较准确的硬度和强度的换算关系。

实践证明，金属材料的各种硬度值之间，硬度值与强度值之间具有近似的相应关系。

因为硬度值是由起始塑性变形抗力和继续塑性变形抗力决定的，材料的强度越高，塑性变形抗力越高，硬度值也就越高。

另外,天然水中的钙美含量也用硬度表示.我国规定的硬度是:1L水中含
的钙盐,镁盐折合成CaO和MgO的总量相当于10mgCaO(将MgO也换算成CaO)时,其硬度是1°.
水的硬度是水质的重要指标,通常分为五类:
很软水软水中硬水硬水很硬水
0°～4°4°～8°8°～16°16°～30°>30°
1.肖氏硬度(HS)=布式硬度(BHN)/10+12
2.肖式硬度(HS)=洛式硬度(HRC)+15
3.洛式硬度(HRC)= 布式硬度(BHN)/10-3
硬度测定范围:
HS<100
HB<500
HRC<70
HV<1300
1.7HL里氏硬度
里氏硬度是以ＨＬ表示，里氏硬度测试技术是由瑞士狄尔马，里伯博士发明的，它是用一定质量的装有碳化钨球头的冲击体，在一定力的作用下冲击试件表面，然后反弹。

由于材料硬度不同，撞击后的反弹速度也不同。

在冲击装置上安装有永磁材料，当冲击体上下运动时，其外围线圈便感应出与速度成正比的电磁信号，再通过电子线路转换成里氏硬度值。

1.8水的硬度
水的硬度：水中离子沉淀的能力，一般指水中Ca2+、Mg2+盐类的含量。

单位mmol/L或mg/
包括：总硬度碳酸盐硬度非碳酸盐硬度
碳酸盐硬度（暂时硬度）: 主要成分是钙、镁的酸式碳酸盐，其次是钙、镁的碳酸盐，由于这些盐类一经加热煮沸就会分解成为溶解度很小的碳酸盐，硬度大部分可以除去。

非碳酸盐硬度（永久硬度）：表示水中的钙、镁的氯化物、硫酸盐、硝酸盐等盐类的含量，这些盐类经加热煮沸不会产生沉淀，使硬度不变化。

2、维修里氏硬度计
里氏硬度计是一种新型的手持式、多功能动态硬度测试仪器，它采用了最先进的微处理器技术最新设计而成。

具有测试精度高、性能稳定可靠、体积小、操作容易、携带方便、测量范围宽等特点，适用于金属材料的快速硬
度测试，特别适宜对大型零部件及不可拆卸部件的现场硬度测试。

它能把测得的里氏硬度值根据不同材料、不同方向自动转换成布氏、洛氏、肖氏等硬度值并打印记录。

是适应模具、机械、机床、五金、热处理、锻造、特种钢等行业使用理想的硬度测试仪器。

需要维修时往往要返回厂家修理，给用户带来很多麻烦和不便，造成耽误工作时间和出货。

为了广大用户能自己判断快速维修，下面介绍一些常见里氏硬度计故障问题和解决办法。

维修里氏硬度计常见故障与处理方法：
一、硬度值不准确，误差50HL左右
可以分几步逐步检查排除：1）供电电压：先检查里氏硬度计供电电压是否正常；2）冲击装置：把冲击装置各部件拆下来，清理干净灰尘或脏的东西；3）控制电路：控制内部电路元器件有损坏或变值，需要返厂维修。

二、LCD屏字体有缺笔
1）拆开里氏硬度计外壳，把驱动LCD屏的IC重新插拔几次（有些里氏硬度计设计时，这些IC是用IC座来固定IC的），排除IC脚受氧化导致接触不良；2）LCD屏组块内部损坏，需更换即可。

三、打硬度时LCD屏无显示数值
1）检查冲击装置是否存在接触不良情况，反之冲击装置损坏，更换即可；2）里氏硬度计内部电路出现故障，需返厂维修。

四、打印数据出现重叠
打印纸卡住问题，拆开安装打印纸盒盖，重新安装打印纸即可排除此问题。

五、黑屏
测量供电电压是否正常，否则电路有故障，需返厂维修。

3、努氏硬度
努氏硬度是作为绝对数值而测得的硬度，主要在加工方面使用该数值。

一般来说，金刚石的努氏硬度为7000~8000千克/平方毫米
努氏硬度试验主要也是用于金属学、金相学研究。

它特别适于测试硬而脆的材料，常被用于测试珐琅、玻璃、人造金刚石、金属陶瓷及矿物等材料。

它还可用于表面硬化层有效深度的测定，用于细小零件、小面积、薄材料、细线材、刀刃附近的硬度、电镀层及牙科材料硬度的测试。

努氏硬度试验没有专门的硬度计，通常是共用显微维氏硬度计，只要更换压头并改变硬度值的算法即可。

在显微硬度试验方面，美国通常采用努氏压头和100g力，而欧洲则习惯于采用维氏压头和较大的500g力
努氏硬度试验(Knoop hardness test)
将顶部两相对面具有规定角度的菱形棱锥体金刚石压头用试验力压入试样表面，经规定保持时间后卸除试验力，测量试样表面痕长对角线的长度。

努氏硬度与试验力除以压痕投影面积所得的商成正比，压痕被视为具有与压头顶部角度相同的菱形基面棱锥体形状。

HK=常数×试验力/压痕投影面积=1.451F/d2
式中：HK——努氏硬度；
C——压头常数；
F——试验力，N；
d——压痕长对角线长度，mm。

努氏硬度用HK 表示，HK 前面的数字为硬度值，符号后按顺序用数字表示试验力和试验力保持时间(10～15S 可以不标注)。

如640HK0.1 表示在试验力为0.9807N 保持10～15S 测定的努氏硬度值为640。

640HK0.1/20 表示在试验力为0.9807N 保持20S 测定的努氏硬度值为640。

4、巴氏硬度
巴氏硬度计
巴氏硬度- Barcol scale of hardness
巴柯尔(Barcol)硬度(简称巴氏硬度), 最早由美国Barber-Colman公司提出，是近代国际上广泛采用的一种硬度门类，一定形状的硬钢压针，在标准弹簧试验力作用下，压入试样表面，用压针的压入深度确定材料硬度，定义每压入0.0076mm为一个巴氏硬度单位。

巴氏硬度单位表示为HBa。

巴柯尔硬度计(巴氏硬度计)作为专门测量玻璃钢制品、增强或非增强硬塑料、铝及铝合金、黄铜、紫铜等较软金属硬度的专用检测工具(特别适用于玻璃钢制品)，已被大多数国家或国际组织认可。

美国材料试验协会(AST M)、日本工业规范(JIS)、中国等国家相继制定《用巴柯尔硬度计测量玻璃钢(GRP)硬度试验方法》的国家标准。

巴氏硬度值可通过查表，换算成布、洛、维、韦等其他硬度值。

5、韦氏硬度计
韦氏硬度计用途
韦氏硬度计用于铝合金类产品韦氏硬度值测量
韦氏硬度计原理
一定形状的硬钢压针，在标准弹簧试验力作用下压入试样表面，用压针的压入深度确定材料硬度，定义0.01mm的压入深度为一个韦氏硬度单位。

韦氏硬度单位表示为HW。

韦氏硬度计的特点
韦氏硬度计是小型便携式仪器，它体积小、重量轻、可单手操作，可快速、方便、无损地测试材料硬度，它不必取样，对操作技能要求不高，非常适于在生产现场对材料进行快速硬度检测。

韦氏硬度计的缺点是灵敏度较差，量程较窄，全量程只有20个刻度，因此通常一台仪器只能测试1~2种金属材料。

韦氏硬度计的应用
韦氏硬度计采用两种不同形状的压针，两种不同的试验力，它们的组合构成三种不同型号的仪器，分别用于测试铝合金、软铜、硬铜、超硬铝合金和软钢。

韦氏硬度计适于测试具有两个平行面的材料，例如管材、板材和型材，材料厚度最大可达到1 3mm。

韦氏硬度计非常适于在生产现场对成批产品进行逐件检测，尽管它的灵敏度不高，但是作为生产控制与合格判定仪器已经能够满足要求，正是由于这个原因，韦氏硬度计在铝加工行业得到了相当广泛的应用。

现在市场上韦氏硬度计主要以W-20系列铝合金韦氏硬度计为主,还有用于检测铜合金的韦氏硬度计。

国标
《铝合金硬度与强度换算表》GBn 166-82。