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第四章材料的硬度

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4.1 前言• 古时，利用固体互相刻划来区分材料的软硬• 硬度仍用来表示材料的软硬程度。• 硬度值大小取决于材料的性质、成分和显微

组织，测量方法和条件不符合统一标准就不能反映真实硬度。

• 目前还没有统一而确切的关于硬度的物理定义。

• 硬度测定简便，造成的表面损伤小，基本上属于“无损”检测的范畴。

• 测定硬度的方法很多，主要有压入法，回跳法和刻划法三大类。。

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4.2 布氏硬度 压入法硬度 : 氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度 , 表征材料表面抵抗外物压人时引起塑性变形的能力。

4.2.1 布氏硬度测定的原理和方法 压力将淬火钢球或硬质合金球压头压入试样表面，保持规定的时间后卸除压力，试件表面留下压痕，单位压痕表面积上所承受的平均压力即定义为布氏硬度值。

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• 施加压力 P, 压头直径 D, 压痕深度 h 或直径 d, 计算出布氏硬度值，单位为 kgf/mm2

（一般不标注）。

（ 4-1 ）

• 公式表明，当压力和压头直径一定时，压痕直径越大，布氏硬度值越低，即变形抗力越小；反之，布氏硬度值越高。

)(

222 dDDD

p

Dh

p

A

pHB

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由于不同材料的硬度不同，试件的厚度不同，测定布氏硬度时需选用不同直径的压头和压力。要在同一材料上测得相同的布氏硬度，或在不同的材料上测得的硬度可以相互比较，压痕的形状必须几何相似，压入角应相等。

布氏硬度相同时，要保证压入角相等，则P/D2 应为常数。

国标 GB231-84 根据材料的种类及布氏硬度范围，规定了 7 种 P/D2 之值，见表 4-1 。

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• 压头直径选定 :• 试件的厚度应大于压痕深度的 10 倍。尽可

能选用大直径的压头。根据材料及其硬度范围，参照表 4-1 选择 P/D2 。

• 测试加载压力与试件表面垂直，均匀平稳，无冲击。

• 压力作用下的保持时间有规定，对黑色金属应为 10 秒，有色金属为 30 秒，对 HB ＜ 35的材料为 60 秒。压痕直径 d 不在 0.25 –0.6 D 范围无效。

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•符号表示：压头为淬火钢球， HBS；压头为硬质合金球， HBW•HBS或 HBW之前的数字表示硬度值，其后的数字依次为压头直径、压力和保持时间。•例： 150HBSl0 ／ 3000 ／ 30 表示用 10mm直径淬火钢球，加压 3000kgf ，保持 30s，测得的布氏硬度值为 150 ；•500HBW5／ 750 ，表示用硬质合金球，压头直轻 5mm ，加压 750kgf ，保持 10-15 秒 (保持时间为 10-15 ，不加标注 )，测得布氏硬度值为 500 。

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4.2.2 布氏硬度的特点和适用范围

• 压痕面积大，能反映出较大范围内材料各组成相的综合平均性能，不受个别相和微区不均匀性的影响。布氏硬度分散性小，重复性好

• 适合于测定粗大晶粒或粗大组成相的材料的硬度，象灰铸铁和轴承合金等。

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•试验证明，在一定的条件下，布氏硬度与抗拉强度存在如下的经验关系

σb=k HB (4-3)•式中 k 为经验常数，随材料不同而异。表4-2列出了常见金属材料的抗拉强度与 HB的比例常数。•压痕较大，不宜在实际零件表面、薄壁件、表面硬化层上测定布氏硬度。•淬火钢球作压头，测定 HB ＜ 450 的材料的硬度；•硬质合金球作压头，测定的硬度可达 650HB．

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4.3 洛氏硬度• 4.3.1 洛氏硬度测定的原理和方法• 洛氏硬度是直接测量压痕深度，压

痕愈浅表示材料愈硬• 常用的压头：• 顶角为 1200 的金刚石圆锥体• 直径为 Φ1.588mm(1／ 16英寸 )

的钢球压头

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•试验程序：先加 10kg预压力，再加主压力。预压力 +主压力 = 总压力，总压力视材料的软硬而定；不同压头和施加不同的总压力，组成不同的洛氏硬度标尺。•常用 A、 B 和 C三种标尺， C标尺最普遍。用这三种标尺的硬度记为 HRA、 HRB 和 HRC。

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测定 HRC采用金刚石压头，最好用图示

• 先加 10kgf预载，压入材料表面的深度为 t0 ，此时表盘上的指针指向零点(见图 4-3(a))。

• 然后再加上 140kgf 主载荷，压头压入表面的深度为 t1 ，表盘上的指针逆时针方向转到相应的刻度 (见图 4-3(b))。

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•卸除主载荷以后，表面变形中的弹性部分将回复，压头将回升一段距离，即 (t1-t)，表盘上的指针将相应地回转 (见图 4-3(c))。•最后，在试件表面留下的残余压痕深度为t。•为符合人的思维，即数值越大越硬，规定：t ＝ 0.2mm 时 ,HRC ＝ 0 ； t ＝ 0,HRC ＝100 ，压痕深度每增 0.002mm, HRC 降低1个单位。于是有• HRC＝ (0.2-t) ／ 0.002＝（ 100-t）／0.002 (4-4)

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图 4-3 洛氏硬度试验过程的示意图

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4.3.2 洛氏硬度的优缺点及其应用优点：• ①因为硬度值可从硬度机的表盘上直接读

出，故测定洛氏硬度更为简便迅速 ,工效高；• ②对试件表面造成的损伤较小，可用于成品零件的质量检验；

• ⑧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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•缺点 :•不同标尺的洛氏硬度值无法相互比较。•由于压痕小，所以洛氏硬度对材料组织不均匀性很敏感，测试结果比较分散，重复性差 .

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4.3.3 表面洛氏硬度• 洛氏硬度施加的压力大，不宜用于测定极薄的工件和表面硬化层 .

• 发展了表面洛氏硬度试验。• 与普通洛氏硬度主要不同点：• 1 ）预载荷为 3kgf(29.42N)，总载荷比较小 ,

分别为 15kgf,30kgf 和 45kgf(441.3N)• 2 ）取 t ＝ 0.1mm 时的洛氏硬度为零，深度每增大 0.001mm, 表面洛氏硬度降低一个单位。

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4.4 维氏硬度

• 4.4.1 维氏硬度测定的原理和方法• 维氏硬度测定的原理与方法基本上

与布氏硬度的相同，根据单位压痕表面积上所承受的压力来定义硬度值。

• 测定维氏硬度所用的压头为金刚石制成的四方角锥体，两相对面间的夹角为 1360 ，所加的载荷较小。

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已知载荷 P ，测得压痕两对角线长度后取平均值 d ，计算维氏硬度值，单位为 kgf/mm2 （一般不标注） HV=1.8544P/d2 载荷为 5kgf,10kgf ， 20kgf ， 30kgf ，50kgf 和 100kgf 等 6 种压头压入试件表面，保持一定的时间后卸除压力，试件表面上留下压痕，如图 4-4 所示。

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• 维氏硬度的表示方法与布氏硬度的相同，

• 例： 640HV30 ／ 20 ，最前数字为硬度值，后面数字依次为载荷 / 保持时间。

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4.4.2 维氏硬度的特点和应用 维氏硬度测试采用了四方角锥体压头，各种载荷作用下所得的压痕几何相似，载荷大小任意选择，所得硬度值均相同，不受布氏法那种载荷 P 和压头 D 的规定条件的约束。 测量范围较宽，软硬材料都可测。压痕为一轮廓清晰的正方形，对角线长度易于精确测量，故精度较布氏法的高。材料的硬度小于 450HV时，维氏硬度值与布氏硬度值大致相同。

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4.5 显微硬度• 布、洛及维氏三种硬度试验只能测得

组织的平均硬度值．• 测定极小范围内的硬度，需用显微硬

度试验，例如某个晶粒，某个组成相或夹杂物的硬度

• 显微硬度试验一般是指测试载荷小于200g 力的硬度试验，常用的有显微维氏硬度和努氏硬度。

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4.5.1 显微维氏硬度 显微维氏硬度试验实质上就是小载荷的维氏硬度试验，其测试原理和维氏硬度试验相同，仍用 HV表示。 测试载荷小，载荷与压痕之间的关系不一定像维氏硬度试验符合几何相似原理，必须注明载荷大小，以便比较

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• 如 340HV0.1 表示用 0.1kgf 的载荷测得的维氏显微硬度为 340 ，

• 340HV0.05 则是表示用 0.05kgf的载荷测得的硬度为 340.

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4.5.2 努氏硬度努氏硬度是维氏硬度的发展。

长棱形金刚石压头，两长棱夹角为172.50 ，两短棱夹角为 1300( 见图 4-6) 。压痕是长对角线比短对角线长度大 7 倍

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• 努氏硬度值与维氏硬度的不同，定义单位压痕投影面积上所承受的力。已知载荷 P 、压痕长对角线长度 L，计算努氏硬度值 (HK)

HK＝ 14.22P/L2 (4-9)• 努氏硬度试验法无国家标准，测试载荷通常

为 1-50N。按金相试样的要求制备试件。• 压痕浅而细长，较维氏法优越。适于测定极薄层或极薄零件，丝、带等细长件以及硬而脆的材料 ( 如玻璃、玛瑙、陶瓷等 )的硬度。测量精度和对表面状况的敏感度也更高。

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4.5.3 显微硬度试验特点及应用 特点： 1 ）载荷小，压痕极小，几乎不损坏试件，便于测定微小区域内的硬度值。 2 ）灵敏度高。

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4.6 肖氏硬度（回跳硬度）• 原理：金刚石圆头或钢锭球的标准冲头从一

定高度 h0自由下落到试件表面，因试件的弹性变形使其回跳到某高度 h ，用两个高度的比值计算肖氏硬度值

HS=Kh/h0 (4-10)• HS为肖氏硬度， K为肖氏硬度系数， C 型肖氏硬度计 K=104/65 ； D型肖氏硬度计 K=140 。

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•特点：操作简便，测量迅速，压痕小，携带方便，可到现场进行测试等。•主要用于检验大型工件：轧辊、机床床面、导轨，曲轴、大齿轮等的硬度。 •缺点：测定精度较低，重复性差。•弹性模数不同的材料，其结果不能相互比较。