《材料性能学》第一章2

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二、硬度试验的优点
硬度不是一个单纯物理量，表征材料的弹性、 塑性、形变强化、强度和韧性等一系列物理量组 合的综合性能指标。应用很广泛。
1．硬度试验所用设备简单，操作方便快捷； 2．不受场地条件等限制； 3．基本上不破坏工件，可在成品上直接检验 4. 所有金属在硬度试验中都能产生塑性变形，可以测定所 有金属材料包括淬火钢、硬质合金甚至陶瓷等脆性材料 的硬度
测量长对角线长度l， 则努氏硬度值为
只需测量长对角线， 精确度较高！ 23
努氏硬度的优缺点





适用于测定脆性材料。故适用于测定玻璃、玛 瑙、红宝石等脆性材料的硬度，压痕不易产生 碎裂。 误差小 压痕浅，更适用于薄件及表面层的硬度试验， 如表面渗层、镀层的硬度分布。 压头制造困难，制造精度要求高 测定各向异性的材料会因测试方向不同而由差 异 对试样表面光洁度要求更高。
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５、努氏硬度

试验原理与维氏硬度相同，也是一种显微硬度试验方法。所不 同的是努氏压头是一个菱形的金刚石椎体，形貌如图所示，压 头的两个对角面不等，在纵向上椎体的顶角为172°30’，横向 上椎体的顶角为130°，在试样上得到长对角线长度为短对角 线长度7.11倍的菱形压痕，压痕深度约为其长度的1/30。
书P42 19题
6. 肖氏硬度，适合现场测量弹性模量相同的材料
7. 莫氏硬度，适合与矿物质硬度的测试
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常用材料的硬度
材料
条件
硬度（kgf/mm2 ）
材料 硅石 玻璃 钠钙玻璃 光学玻璃 高 分 子 材 料 高压聚乙烯 酚醛塑料

广泛用来检验经热处理的工件质量和进行材料研究．
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三、硬度试验方法
1、 布氏硬度（HB） （1）测定原理 ：用一定大小的载荷(P)将直径为d的球形压 头压入工件表面，保持一定的时间后卸载，然后用载荷 （P）除以压痕的表面积（A）所得的值为布氏硬度，即：
布氏硬度：
HB=P/A=P/πDh
可以看到压痕直 径d比压痕深度h 测定方便。 根据几何关系： D 1 h D2 d 2 2 2
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测试原理： 载荷分先后两次施加，先加初载荷F1 ，压入深度为h1 再加主载荷F2 ，压入深度为h2 保持一段时间后卸载F2，弹性恢复h3后残余压痕深度为h +h1
硬度越大，压痕深度越小
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K h HR 0.002

每0.002mm为一个洛氏硬度单位。 对于金刚石压头，k取0.2mm；对于淬火钢球压头，k取0.26mm。 则HR为洛氏硬度值，一般可直接从表盘上快速读出数据。
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1．布氏硬度，用于退火钢、铸铁、有色金属等较软的材 料 以及粗大组织的材料，如灰铸铁。
2．洛氏硬度，淬火钢等较硬的材料，特别适用于生产现 场的检测
3．维氏硬度，适用于各种金属，精度高，特别适用于科 学研究 4．显微硬度，适用于金属各显微组织的硬度及微小零件 的硬度 5. 努氏硬度，适用于脆性材料及薄件及表面层的硬度试 验
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（2）优缺点 优点： A.压痕几何形状相同，载荷大小可以选择，所得硬 度值相同。 B.维氏硬度法测量范围宽，软硬材料都可测试，并 且比洛氏硬度法能更好的测定薄件或薄层的硬度， 因而常用来测定表面硬化层以及仪表零件等硬度。 C.角锥压痕轮廓清晰，采用对角线长度计量，精确 可靠。 D.当材料的硬度小于450HV时，维氏硬度值与布氏 硬度值大致相同。
d D sin

2
2P
HB P D2
D( D D 2 d 2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ)
2
(1 1 sin
2

2
)
5
P HB 2 D
2
需要HB相等
(1 1 sin 2

2
P/D2和φ相等
)
φ相等 ——得到相同的压痕形状（压痕相似原理）

φ 角相同时，只需要P/D2为一定值，就能使大小、薄厚不同的 同一材料获得相同的布氏硬度值，这就是压痕相似性原理。
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当载荷单位为kgf时，有
HB
2P

当载荷单位为N时，有
HB
D( D D 2 d 2 ) 0.102 2P
D( D D 2 d 2 )

只有d为变量，试验时只要测出压痕直径d（mm），即可通 过计算或查表得到HB值。 布氏硬度单位为kgf/mm2，或者MPa，但是一般不标注单 位。
（2）洛氏硬度的级数
为测试从软到硬所有的材料，需要采用不同的压头和载 荷，标尺的取值也就不一样。国家标准钟包括A~S共15种 标尺，最常用的为A、B、C三种，硬度值用HRA、HRB、 HRC表示。
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常见洛氏硬度级数
金刚石圆锥 1.6直径钢球压头 金刚石圆锥 压头 压头 初载荷10kgf 初载荷10kgf 初载荷10kgf 主载荷50kgf 主载荷90kgf 主载荷140kgf 测量高硬度 测量碳钢、 测量淬火钢、 薄件、硬质 有色金属、 工具钢、高 合金 可锻铸铁 硬铸铁 测试范围60~85 测量范围25~100 测量范围20-67
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硬度值并非绝对硬度值，而是按硬度的顺序表示的 值。应用时作刻划比较确定硬度。鉴定时，在未知矿 物上选一个平滑面，用上述一直矿物中的一种在选好 的平滑面上用力刻划，如果在平滑面上留下刻痕则， 表示该未知物的硬度小于已知矿物的硬度。 如某矿物能将方解石刻出划痕，而不能刻萤石，则 其莫氏硬度为3～4，其他类推。莫氏硬度仅为相对硬 度，比较粗略。虽滑石的硬度为1，金刚石为10，刚玉 为9，但经显微硬度计测得的绝对硬度，金刚石为滑石 的4192倍，刚玉为滑石的442倍。 莫氏硬度应用方便，野外作业时常采用。
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6、肖氏硬度

肖氏（Shore）硬度试验是一种动载荷实验法
原理为将一定质量的带有金刚石或合金钢球的重锤从一定高度 h0落向试样表面，由于试样的弹性变形重锤回跳高度h1，根据 两个高度的比值计算肖氏硬度（HS），肖氏硬度又叫回跳硬 度。


HS越大，回跳高度越高，材 料硬度越高。
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标准重锤从一定高度落下，以一定 的动能冲击试样表面，使金属产生 弹性变形和塑性变形。重锤的冲击 能一部分转变为塑性变形功被试样 吸收，另一部分转变为弹性变形功 储存在试样中。当弹性变形恢复时， 能量被释放，使重锤回跳一定高度。 金属屈服强度越高，塑性变形越小， 储存弹性能量越高，重锤回跳高度 越高，表明金属越硬。 肖氏硬度值只有在金属弹性模量相 同时才可以比较。
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7、莫氏硬度
莫氏硬度，表示矿物硬度的一种标准。1812 年由德国矿物学家莫斯(Frederich Mohs)首先提 出。 应用划痕法将棱锥形 金刚钻针刻划所试矿物的表 面而发生划痕，习惯上矿物 学或宝石学上都是用莫氏硬 度。

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早期的莫氏硬度分十级来表示硬度：滑石 1（硬度最小），石膏2，方解石3，萤石4 ，磷灰石5，正长石6，石英7，黄玉8，刚 玉9，金刚石10。
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2、洛氏硬度

（1）测试原理
洛氏硬度也是 一种压入硬度试验方法，其原理不是 通过测压痕面积求得硬度值，而是以 测量压痕深度值的大小来表示材料的 硬度值，用HR表示．
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洛氏硬度压头有两种：
（1）圆锥角为120°、尖端曲率半径为R=0.2mm的金刚石圆 锥体，适用于淬火钢等硬度较高的材料；
（2）直径为D=1.588mm或D=3.175mm的淬火钢球，适用于有 色金属等硬度较低的材料。
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（3）洛氏硬度优缺点：
优点：
因由硬质、软质两种压头，故适于各种不同硬质
材料的检验，不存在压头变形问题；
操作简单，硬度值可从硬度计的表盘上直接读出，
简便迅速，工效高，适用于大量生产中的成品检验；
压痕小，不伤工件表面，可用于成品零件的质量
检验；
因加有预载荷，可以消除表面轻微的不平度对试
验结果的影响。
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优缺点
优点： 一般为手提式，操作简便，测量迅速，压痕小， 携带方便，可以在现场测量大件金属制品的硬度， 如大型冷轧辊的验收标准就是肖氏硬度值。
缺点： 大小取决于材料的弹性性质。因此，弹性模量不 同的材料，其结果不能相互比较，例如钢和橡胶 的肖氏硬度值无法比较。 测定结果受人为因素影响较大，精确度较低。
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缺点：

用不同标尺测得的硬度值无法进行比较，无法统 一起来； 由于压痕小，所以洛氏硬度对材料组织的不均匀 性很敏感，测试结果比较分散，重复性差，因而 不适用于具有粗大组成相（如灰铸铁中的石墨片） 或不均匀组织材料的硬度测定。

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3、维氏硬度（HV）



布氏硬度试验只能测定硬度值小于 450HB（或650）的材料。 洛氏硬度虽可测定各种材料的硬度， 但由于在不同的硬度范围所使用的 标尺不同，所测硬度值不能直接换 算。 因此为了使软硬不同的各种材料有 一个连续一致的硬度指标，制定了 维氏硬度试验法．
表示方法：数字+符号(HBS/HBW)+数字/数字/数字
HBS—压头是硬质淬火钢球；HBW—压头为硬质合金球
如： 380 HBS 10/3000/30
——10mm直径的淬火钢球，在3000kgf载荷下保 持30s后的硬度值为380
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（2）布氏试验原理： 金属有软有硬，工件有厚有薄，要求采用不同的Ｐ和Ｄ搭 配。 问题？如何使同一材料在不同的Ｐ和Ｄ搭配下试验时能获得 相同的HB值
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国家规定P/D2值为30,10，2.5三种。钢球直径一般 取10，5,2.5mm三种，相应的载荷包括 3000,1000,750,250，187.5，62.5，15.6kgf。 对于不同的金属和试样厚度，采用不同P和D组合。