《材料性能学》第一章2.ppt

11.3 硬 度 一、硬度试验的意义l 硬度是衡量材料软硬程度的一种力学性能．硬度试验与静拉伸试 验一样也是一种应用十分广泛的力学性能试验方法．硬度试验方 法有十几种，l按加载方式基本上可分为动载压人法：回跳法肖氏硬度锤击式布氏硬度压人法 静载压人法：布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度 硬度和显微硬度刻划法：莫氏硬度顺序法挫刀法l压人法的硬度值是材料表面抵抗另一物体局部压入时所引起的塑 性变形能力，静载压入法应用最广l刻划法硬度值是材料表面对局部切断破坏的抗力．2二、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l广泛用来检验经热处理的工件质量和进行材料研究．3l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：4l当载荷单位为kgf时，有l当载荷单位为N时，有只有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l布氏硬度单位为kgf/mm2，或者MPa，但是一般不标注单 位表示方法：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3805（2）布氏试验原理：l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6lφ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φ相等 ——得到相同的压痕形状（压痕相似原理 ）需要HB相等 P/D2和φ相等7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。

8试样厚度至少要为压痕深度的10倍9（3）布氏硬度的优缺点优点：l采用较大直径的压头和压力，因而压痕面积大，能反映出较大 体积范围内材料各组成相的综合平均性能，而不受个别相和微 区不均匀性的影响l特别适宜于测定灰铸铁、轴承合金等具有粗大晶粒或粗大组成 相的金属材料；l试验数据稳定，重复性好；试验数据从小到大都可以统一起来 缺点：l由于测定布氏硬度时压痕较大，故不宜在零件表面测定布氏硬 度，也不能测定薄壁件或表面硬化层的布氏硬度，不宜在成品 件上检验l因需测量压痕直径的d值，操作和测量都需较长时间，故在要求 迅速检定大量成品时需要耗费大量的人力l在试验前需要根据材料的厚度和软硬程度，反复试验更换压头 的直径和所需的载荷布氏硬度主要用于金属材料中较软或者中等硬度的材料102、洛氏硬度l（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．11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。

12测试原理：l载荷分先后两次施加，先加初载荷F1 ，压入深度为h1l再加主载荷F2 ，压入深度为h2l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13l每0.002mm为一个洛氏硬度单位l对于金刚石压头，k取0.2mm；对于淬火钢球压头，k取0.26mml则HR为洛氏硬度值，一般可直接从表盘上快速读出数据 （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14常见洛氏硬度级数金刚石圆锥 压头 初载荷10kgf主载荷50kgf测量高硬度 薄件、硬质 合金 测试范围60~851.6直径钢球压头初载荷10kgf主载荷90kgf测量碳钢、 有色金属、 可锻铸铁 测量范围25~100金刚石圆锥 压头初载荷10kgf主载荷140kgf测量淬火钢、 工具钢、高 硬铸铁 测量范围20-6715（3）洛氏硬度优缺点：优点：n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；n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；n压痕小，不伤工件表面，可用于成品零件的质量 检验；n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。

16缺点：l用不同标尺测得的硬度值无法进行比较，无法统 一起来；l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173、维氏硬度（HV）l布氏硬度试验只能测定硬度值小于 450HB（或650）的材料l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l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．18（1） 测试原理与布氏硬度基本相似，也是根据压痕单位面积所承受的载 荷来计算硬度值的．所不同的是维氏硬度试验所用的压 头是两相对面夹角为1360的金刚石四棱锥体19l在载荷F的作用下，试样表面压出四方棱形压痕 ，测量压痕对角线长度d，计算压痕面积A，以 F/A值表示试样硬度，用HV表示l压痕面积为l维氏硬度为一般也不标注单位20载荷：l49.1N（5kgf），98.1N（10kgf），196.2N （20kgf），294.3N（30kgf），490.5N（ 50kgf），980N（100kgf）l选择的载荷应使试样或试验层厚度大于1.5d ，满足此条件下，尽可能选用较大载荷。

表示方法：l数字+HV+数字/数字l如：640HV30/20l？什么意思21（2）优缺点 优点：lA.压痕几何形状相同，载荷大小可以选择，所得硬 度值相同lB.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lC.角锥压痕轮廓清晰，采用对角线长度计量，精确 可靠lD.当材料的硬度小于450HV时，维氏硬度值与布氏 硬度值大致相同缺点：l需通过测量对角线后才能计算（或查表）得到，生 产效率没有洛氏硬度高224、显微硬度l其实即为小载荷下的硬度试验，一般采用小 于2Ｎ的载荷原理与维氏硬度相同故一 般又称为显微维氏硬度，表示为ＨＶｍ特点：l由于压痕微小，可以研究微小区域的硬度l但是需要抛光，制成金相试样后测量l一般用于材料研究23５、努氏硬度l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。

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！24努氏硬度的优缺点l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l误差小l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Ø压头制造困难，制造精度要求高Ø测定各向异性的材料会因测试方向不同而由差 异Ø对试样表面光洁度要求更高256、肖氏硬度l肖氏（Shore）硬度试验是一种动载荷实验法l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lHS越大，回跳高度越高，材 料硬度越高26l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l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l肖氏硬度值只有在金属弹性模量相 同时才可以比较27优缺点优点：l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：l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l测定结果受人为因素影响较大，精确度较低287、莫氏硬度l 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l 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 29l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 30l 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l 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。

l 莫氏硬度应用方便，野外作业时常采用 书P42 19题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3132常用材料的硬度 材料条件硬度（kgf/mm2 ）金属材料99.5%铝铝退火20 冷轧轧40 铝铝合金（Al- Zn-Mg-Cu退火60 沉淀硬化170 软钢软钢 （ wc=0.2%）正火120 冷轧轧200 轴轴承钢钢正火200 淬火830℃900 回火150℃750陶瓷材料WC烧结烧结1500-2400 金属陶瓷（ wCo=60%， 余量WC）20℃1500 750℃1000Al2O3~1500 B4C2500-3700 BN7500 金刚刚石6000~10000材料硬度（ kgf/mm2）玻璃硅石700-750 钠钙钠钙 玻璃540-580 光学玻璃550-600高分子材料高压压聚乙烯烯40-70 酚醛醛塑料30 聚苯乙烯烯17 有机玻璃16 。