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1、1.硬度试验的意义1.1 硬度的定义硬度的定义n n硬度是衡量材料软硬程度的一种力学性能。硬度是衡量材料软硬程度的一种力学性能。1.2 硬度的试验方法分类硬度的试验方法分类依据加载方式分依据加载方式分压入法压入法刻划法刻划法 莫氏硬度依次法、锉刀法等莫氏硬度依次法、锉刀法等动载压入法：超声波硬度、肖氏硬度、捶击动载压入法：超声波硬度、肖氏硬度、捶击式布氏硬度式布氏硬度静载压入法：布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬静载压入法：布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、显微硬度度、显微硬度材料物理性能-硬度1.3 硬度值的物理意义n n压入法：压入法：表征材料表面反抗外物压入时引起塑性变表征材料表面反抗外物压入时引起
2、塑性变形的实力。形的实力。n n划刻法：表征材料表面对局部切断破坏的划刻法：表征材料表面对局部切断破坏的抗力。抗力。n n硬度是指材料表面上不大体积内反抗变形硬度是指材料表面上不大体积内反抗变形或裂开的实力。或裂开的实力。材料物理性能-硬度2.硬度试验方法n n布氏硬度布氏硬度n n洛氏硬度洛氏硬度n n维氏硬度与显微硬度维氏硬度与显微硬度n n其他硬度：奴氏硬度、肖氏硬度、莫氏硬其他硬度：奴氏硬度、肖氏硬度、莫氏硬度等度等材料物理性能-硬度2.1 布氏硬度 原理：用确定的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
3、定义为布氏硬度值，符号用HB表示。材料物理性能-硬度2.1.1 布氏硬度试验原理图和计算方法材料物理性能-硬度压头为淬火钢球，压头为淬火钢球，HBSHBS；压头为硬质合金球，；压头为硬质合金球，HBWHBWHBSHBS或或HBWHBW之之前前的的数数字字表表示示硬硬度度值值，其其后后的的数数字字依依次次为为压压头头直直径、压力和保持时间。径、压力和保持时间。例例：150HBSl0150HBSl0300030003030表表示示用用10mm10mm直直径径淬淬火火钢钢球球，加加压压3000kgf3000kgf，保持，保持30s30s，测得的布氏硬度值为，测得的布氏硬度值为150150；500HB
4、W5500HBW5750750，表表示示用用硬硬质质合合金金球球，压压头头直直轻轻5mm5mm，加加压压 750kgf750kgf，保保持持10-1510-15秒秒(保保持持时时间间为为10-1510-15时时，可可不不加加标标注注)，测得布氏硬度值为测得布氏硬度值为500500。符号表示符号表示材料物理性能-硬度n 由于不同材料的硬度不同，试件的厚度不同，测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
5、比较，压痕的形态必需相像，上测得的硬度可以相互比较，压痕的形态必需相像，压入角应相等。压入角应相等。n 大量试验表明，大量试验表明，F/D2 F/D2为常数时，压入角相等，为常数时，压入角相等，此即压痕几何相像原理。此即压痕几何相像原理。n 国标国标GB6270GB62708686依据材料的种类及布氏硬度范围，依据材料的种类及布氏硬度范围，见表见表2-22-2（教材）。（教材）。3.1.3 压痕几何相像原理压痕几何相像原理材料物理性能-硬度计算方法计算方法材料物理性能-硬度n n试试试试件件件件的的的的厚厚厚厚度度度度应应应应大大大大于于于于压压压压痕痕痕痕深深深深度度度度的的的的101010
6、10倍倍倍倍。尽尽尽尽可可可可能能能能选选选选用用用用大大大大直直直直径径径径的的的的压压压压头头头头。依依依依据据据据材材材材料料料料及及及及其其其其硬硬硬硬度度度度范范范范围围围围，参参参参照照照照表表表表2-22-22-22-2选选选选择择择择F/D2F/D2F/D2F/D2，保保保保证证证证压压压压入入入入角角角角在在在在28-74o28-74o28-74o28-74o，压压压压痕痕痕痕直直直直径径径径d d d d在（在（在（在（0.25 0.60.25 0.60.25 0.60.25 0.6）D D D D 范围。范围。范围。范围。n n测测测测试试试试加加加加载载载载压压压压力力
7、力力与与与与试试试试件件件件表表表表面面面面垂垂垂垂直直直直，匀匀匀匀整整整整平平平平稳稳稳稳，无无无无冲冲冲冲击。击。击。击。n n压压压压力力力力作作作作用用用用下下下下的的的的保保保保持持持持时时时时间间间间有有有有规规规规定定定定，对对对对黑黑黑黑色色色色金金金金属属属属应应应应为为为为10101010秒，有色金属为秒，有色金属为秒，有色金属为秒，有色金属为30303030秒，对秒，对秒，对秒，对HBHBHBHB35353535的材料为的材料为的材料为的材料为60606060秒。秒。秒。秒。3.1.4 3.1.4 加载参数的选定加载参数的选定材料物理性能-硬度n n优优优优点点点点：压
8、压压压痕痕痕痕面面面面积积积积大大大大，能能能能反反反反映映映映出出出出较较较较大大大大范范范范围围围围内内内内材材材材料料料料各各各各组组组组成成成成相相相相的的的的综综综综合合合合平平平平均均均均性性性性能能能能，不不不不受受受受个个个个别别别别相相相相和和和和微微微微区区区区不不不不匀匀匀匀整整整整性性性性的的的的影影影影响响响响。布布布布氏氏氏氏硬硬硬硬度度度度分分分分散散散散性性性性小小小小，重重重重复性好。复性好。复性好。复性好。3.1.6 布氏硬度的特点和适用范围n n缺缺缺缺点点点点：由由由由于于于于压压压压痕痕痕痕面面面面积积积积大大大大，不不不不适适适适于于于于成成成成品品
9、品品件件件件；测测测测硬硬硬硬度度度度不不不不同同同同的的的的材材材材料料料料须须须须要要要要更更更更换换换换压压压压头头头头直直直直径径径径和和和和载载载载荷荷荷荷；压压压压痕痕痕痕直直直直径径径径测量麻烦。测量麻烦。测量麻烦。测量麻烦。n n适适适适合合合合于于于于测测测测定定定定粗粗粗粗大大大大晶晶晶晶粒粒粒粒或或或或粗粗粗粗大大大大组组组组成成成成相相相相的的的的材材材材料料料料的的的的硬硬硬硬度度度度，灰铸铁和轴承合金等。灰铸铁和轴承合金等。灰铸铁和轴承合金等。灰铸铁和轴承合金等。材料物理性能-硬度n n原理：洛氏硬度是原理：洛氏硬度是原理：洛氏硬度是原理：洛氏硬度是n n 干脆测量
10、压痕深度，干脆测量压痕深度，干脆测量压痕深度，干脆测量压痕深度，n n 压痕愈浅表示材料压痕愈浅表示材料压痕愈浅表示材料压痕愈浅表示材料n n 愈硬。如右图所示愈硬。如右图所示愈硬。如右图所示愈硬。如右图所示n n 由于深度可干脆用由于深度可干脆用由于深度可干脆用由于深度可干脆用n n 百分表测出，洛氏百分表测出，洛氏百分表测出，洛氏百分表测出，洛氏n n 硬度无需计算公式。硬度无需计算公式。硬度无需计算公式。硬度无需计算公式。2.2 2.2 洛氏硬度洛氏硬度材料物理性能-硬度洛洛氏氏硬硬度度试试验验机机2.2.1 试验设备试验设备材料物理性能-硬度 先加先加先加先加10kgf10kgf10k
11、gf10kgf预载，压入材料表面的深度为预载，压入材料表面的深度为预载，压入材料表面的深度为预载，压入材料表面的深度为t0t0t0t0，此时将表，此时将表，此时将表，此时将表盘上指针调零盘上指针调零盘上指针调零盘上指针调零(上图上图上图上图a)a)a)a)。然后再加上然后再加上然后再加上然后再加上F2F2F2F2主载荷，压头压入表面的深度为主载荷，压头压入表面的深度为主载荷，压头压入表面的深度为主载荷，压头压入表面的深度为h2h2h2h2，表盘，表盘，表盘，表盘上的指针逆时针方向转到相应的刻度上的指针逆时针方向转到相应的刻度上的指针逆时针方向转到相应的刻度上的指针逆时针方向转到相应的刻度(上图
12、上图上图上图b)b)b)b)卸除主载荷以后，表面变形中的弹性部分将回复，压头卸除主载荷以后，表面变形中的弹性部分将回复，压头卸除主载荷以后，表面变形中的弹性部分将回复，压头卸除主载荷以后，表面变形中的弹性部分将回复，压头将回升一段距离将回升一段距离将回升一段距离将回升一段距离h3 h3 h3 h3，则实际压入深度为，则实际压入深度为，则实际压入深度为，则实际压入深度为h=h2 h=h2 h=h2 h=h2 h3 h3 h3 h3。(上图上图上图上图c)c)c)c)为符合一般思维，即数值越大越硬，规定：为符合一般思维，即数值越大越硬，规定：为符合一般思维，即数值越大越硬，规定：为符合一般思维，即
13、数值越大越硬，规定：h h h hkmmkmmkmmkmm时时时时,HR,HR,HR,HR0 0 0 0；h h h h0,HR0,HR0,HR0,HR100100100100，压痕深度每增，压痕深度每增，压痕深度每增，压痕深度每增0.002mm,HR0.002mm,HR0.002mm,HR0.002mm,HR降降降降低低低低1 1 1 1个单位。于是有个单位。于是有个单位。于是有个单位。于是有 HR=(k-h)/0.002 HR=(k-h)/0.002 HR=(k-h)/0.002 HR=(k-h)/0.002。2.2.2 洛氏硬度的试验方法材料物理性能-硬度l 常常用用压压头头：顶顶角角为
14、为1200的的金金刚刚石石圆圆锥锥体体；直直径径为为1.588mm、3.175mm的淬火钢球压头。的淬火钢球压头。l试试验验程程序序：先先加加10kg预预压压力力，再再加加主主压压力力。预预压压力力+主主压压力力=总总压压力力，总总压压力力视视材材料料的的软软硬硬而而定定；“不不同同压压头头,不不同同的的总总压压力力”组组成成不不同同的的洛洛氏氏硬硬度度标标尺。尺。l常常用用标标尺尺：常常用用A、B和和C三三种种标标尺尺，C标标尺尺最最普普遍遍。用用这这三三种种标标尺尺的的硬硬度度记为记为HRA、HRB和和HRC。材料物理性能-硬度2.2.3 洛氏硬度的特点 优优优优点点点点：硬硬硬硬度度度度
15、值值值值可可可可从从从从硬硬硬硬度度度度机机机机的的的的表表表表盘盘盘盘上上上上干干干干脆脆脆脆读读读读出出出出，简简简简便便便便迅迅迅迅 速速速速,工效高；工效高；工效高；工效高；对对对对试试试试件件件件表表表表面面面面造造造造成成成成的的的的损损损损伤伤伤伤较较较较小小小小，可可可可用用用用于于于于成成成成品品品品零零零零件件件件的质量检验；的质量检验；的质量检验；的质量检验；加加加加有有有有预预预预载载载载荷荷荷荷，可可可可以以以以消消消消退退退退表表表表面面面面稍稍稍稍微微微微的的的的不不不不平平平平度度度度对对对对试试试试验结果的影响。验结果的影响。验结果的影响。验结果的影响。缺点缺
16、点缺点缺点:不同标尺的洛氏硬度值无法相互比较。不同标尺的洛氏硬度值无法相互比较。不同标尺的洛氏硬度值无法相互比较。不同标尺的洛氏硬度值无法相互比较。由由由由于于于于压压压压痕痕痕痕小小小小，所所所所以以以以洛洛洛洛氏氏氏氏硬硬硬硬度度度度对对对对材材材材料料料料组组组组织织织织不不不不匀匀匀匀整整整整性很敏感，测试结果比较分散，重复性差性很敏感，测试结果比较分散，重复性差性很敏感，测试结果比较分散，重复性差性很敏感，测试结果比较分散，重复性差.材料物理性能-硬度2.2.4表面洛氏硬度n n洛洛洛洛氏氏氏氏硬硬硬硬度度度度施施施施加加加加的的的的压压压压力力力力大大大大，不不不不宜宜宜宜用用用用
17、于于于于测测测测定定定定极极极极薄薄薄薄的的的的工工工工件件件件和和和和表表表表面面面面硬化层硬化层硬化层硬化层,因此发展了表面洛氏硬度试验。因此发展了表面洛氏硬度试验。因此发展了表面洛氏硬度试验。因此发展了表面洛氏硬度试验。n n与一般洛氏硬度主要不同点：与一般洛氏硬度主要不同点：与一般洛氏硬度主要不同点：与一般洛氏硬度主要不同点：n n （1 1 1 1）预预预预载载载载荷荷荷荷为为为为3kgf3kgf3kgf3kgf，总总总总载载载载荷荷荷荷比比比比较较较较小小小小,分分分分别别别别为为为为15kgf,30kgf15kgf,30kgf15kgf,30kgf15kgf,30kgf和和和和4
18、5kgf45kgf45kgf45kgf。n n （2 2 2 2）k k k k值值值值不不不不同同同同；此此此此外外外外规规规规定定定定表表表表面面面面洛洛洛洛氏氏氏氏硬硬硬硬度度度度每每每每降降降降低低低低一一一一个个个个单单单单位位位位所增加的深度为所增加的深度为所增加的深度为所增加的深度为0.001mm0.001mm0.001mm0.001mm。n n 材料物理性能-硬度n n原原原原理理理理与与与与方方方方法法法法基基基基本本本本上上上上与与与与布布布布氏氏氏氏硬硬硬硬度度度度的的的的相相相相同同同同，依依依依据据据据单单单单位位位位压压压压痕痕痕痕表表表表面面面面积积积积上上上上所
19、所所所承承承承受受受受的的的的压压压压力力力力来来来来定定定定义义义义硬硬硬硬度度度度值值值值。但但但但测测测测定定定定维维维维氏氏氏氏硬硬硬硬度度度度所所所所用用用用的的的的压压压压头头头头为为为为金金金金刚刚刚刚石石石石制制制制成成成成的的的的四四四四方方方方角角角角锥锥锥锥体体体体，两两两两相相相相对对对对面面面面间间间间的的的的夹夹夹夹角角角角为为为为1360136013601360，所加的载荷较小。，所加的载荷较小。，所加的载荷较小。，所加的载荷较小。2.3 2.3 维氏硬度维氏硬度2.3.1 原理原理材料物理性能-硬度2.3.2 方法n n压头压入试件表面，保持确压头压入试件表面，
20、保持确定的时间后卸除压力，试件定的时间后卸除压力，试件表面上留下压痕。已知载荷表面上留下压痕。已知载荷F，测得压痕两对角线长度后，测得压痕两对角线长度后取平均值取平均值d，计算维氏硬度值，计算维氏硬度值，HV=1.8544F/d2，单位一般，单位一般不标注。不标注。材料物理性能-硬度载荷为载荷为5kgf,10kgf，20kgf，30kgf，50kgf和和100kgf等等6种。种。与布氏硬度相同，例：与布氏硬度相同，例：640HV3020，最前面数，最前面数 字为硬度值，后面数字依次为载荷字为硬度值，后面数字依次为载荷/保持时间。保持时间。2.3.2.1 表示方法表示方法材料物理性能-硬度n维维
21、氏氏硬硬度度测测试试接接受受了了四四方方角角锥锥体体压压头头，各各种种载载荷荷作作用用下下所所得得的的压压痕痕几几何何相相像像，载载荷荷大大小小随随意意选选择择，所所得得硬硬度度值值均均相相同同，不不受受布布氏氏法法那那种种载载荷荷F F和和压压头头D D的的规规定定条件的约束。测量范围较宽，软硬材料都可测。条件的约束。测量范围较宽，软硬材料都可测。n压压痕痕为为一一轮轮廓廓清清晰晰的的正正方方形形，对对角角线线长长度度易易于于精精确确测量，故精度较布氏法的高。测量，故精度较布氏法的高。n材材料料的的硬硬度度小小于于450HV450HV时时，维维氏氏硬硬度度值值与与布布氏氏硬硬度度值值大致相同
22、。大致相同。2.3.3 特点和应用材料物理性能-硬度2.4 2.4 显微硬度显微硬度n n布、洛及维氏三种硬度试验只能测得组织的平均布、洛及维氏三种硬度试验只能测得组织的平均布、洛及维氏三种硬度试验只能测得组织的平均布、洛及维氏三种硬度试验只能测得组织的平均硬度值硬度值硬度值硬度值n n测定微小范围内的硬度，需用显微硬度试验，例测定微小范围内的硬度，需用显微硬度试验，例测定微小范围内的硬度，需用显微硬度试验，例测定微小范围内的硬度，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如某个晶粒，某个组成相或夹杂物的硬度如某个晶粒，某个组成相或夹杂物的硬度如某个晶粒，某个组成相或夹杂物的硬度
23、n n显微硬度试验一般是指测试载荷小于显微硬度试验一般是指测试载荷小于显微硬度试验一般是指测试载荷小于显微硬度试验一般是指测试载荷小于200g200g200g200g力的硬力的硬力的硬力的硬度试验，常用的有显微维氏硬度和努氏硬度。度试验，常用的有显微维氏硬度和努氏硬度。度试验，常用的有显微维氏硬度和努氏硬度。度试验，常用的有显微维氏硬度和努氏硬度。材料物理性能-硬度显显微微维维氏氏硬硬度度试试验验实实质质上上就就是是小小载载荷荷的的维维氏氏硬硬度度试试验验，其其测测试试原原理理和和维维氏氏硬硬度度试试验验相相同同，仍仍用用HVHV表示。表示。n n如如如如340HV0.1340HV0.1340
24、HV0.1340HV0.1表示用表示用表示用表示用0.1kgf0.1kgf0.1kgf0.1kgf的载荷测得的维氏显微的载荷测得的维氏显微的载荷测得的维氏显微的载荷测得的维氏显微硬度为硬度为硬度为硬度为340340340340，n n340HV0.05340HV0.05340HV0.05340HV0.05则是表示用则是表示用则是表示用则是表示用0.05kgf0.05kgf0.05kgf0.05kgf的载荷测得的硬度的载荷测得的硬度的载荷测得的硬度的载荷测得的硬度为为为为340.340.340.340.2.4.1 2.4.1 显微维氏硬度表示方法显微维氏硬度表示方法测测试试载载荷荷小小，载载荷荷
25、与与压压痕痕之之间间的的关关系系不不确确定定像像维维氏氏硬硬度度试试验验符符合合几几何何相相像像原原理理，必必需需注注明明载载荷荷大大小，以便比较。小，以便比较。材料物理性能-硬度n努努氏氏硬硬度度是是维维氏氏硬硬度度的的发发展展。长长棱棱形形金金刚刚石石压压头头，两两长长棱棱夹夹角角为为172.5172.50 0，两两短短棱棱夹夹角角为为1301300 0。压压痕痕是是长短对角线比值为长短对角线比值为7.117.11的菱形压痕。的菱形压痕。2.5 2.5 努氏硬度努氏硬度材料物理性能-硬度n n努氏硬度值与维氏硬度的不同，定义单位压痕投努氏硬度值与维氏硬度的不同，定义单位压痕投努氏硬度值与维
26、氏硬度的不同，定义单位压痕投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。已知载荷影面积上所承受的力。已知载荷影面积上所承受的力。已知载荷影面积上所承受的力。已知载荷F F F F、压痕长对角、压痕长对角、压痕长对角、压痕长对角线长度线长度线长度线长度L L L L，计算努氏硬度值，计算努氏硬度值，计算努氏硬度值，计算努氏硬度值(HK)(HK)(HK)(HK)n n努氏硬度试验法无国家标准，测试载荷通常为努氏硬度试验法无国家标准，测试载荷通常为努氏硬度试验法无国家标准，测试载荷通常为努氏硬度试验法无国家标准，测试载荷通常为1-1-1-1-50N50N50N50N。n n压痕浅而
27、瘦长，较维氏法优越。适于测定极薄层压痕浅而瘦长，较维氏法优越。适于测定极薄层压痕浅而瘦长，较维氏法优越。适于测定极薄层压痕浅而瘦长，较维氏法优越。适于测定极薄层或极薄零件，丝、带等瘦长件以及硬而脆的材料或极薄零件，丝、带等瘦长件以及硬而脆的材料或极薄零件，丝、带等瘦长件以及硬而脆的材料或极薄零件，丝、带等瘦长件以及硬而脆的材料(如玻璃、玛瑙、陶瓷等如玻璃、玛瑙、陶瓷等如玻璃、玛瑙、陶瓷等如玻璃、玛瑙、陶瓷等)的硬度。测量精度和对的硬度。测量精度和对的硬度。测量精度和对的硬度。测量精度和对表面状况的敏感度也更高。表面状况的敏感度也更高。表面状况的敏感度也更高。表面状况的敏感度也更高。2.5.1
28、努氏硬度的表示方法材料物理性能-硬度特特点点：（1 1）载载荷荷小小，压压痕痕微微小小，几几乎乎不不损损坏坏试试件件，便于测定微小区域内的硬度值。（便于测定微小区域内的硬度值。（2 2）灵敏度高。）灵敏度高。2.5.2 2.5.2 显微硬度试验特点及应用显微硬度试验特点及应用材料物理性能-硬度包括：肖氏硬度、超声波硬度包括：肖氏硬度、超声波硬度包括：肖氏硬度、超声波硬度包括：肖氏硬度、超声波硬度2.6 2.6 动载试验法动载试验法2.6.1 2.6.1 肖氏硬度肖氏硬度原原理理：金金刚刚石石圆圆头头或或钢钢锭锭球球的的标标准准冲冲头头从从确确定定高高度度h0h0自自由由下下落落到到试试件件表表
29、面面，因因试试件件的的弹弹性性变变形形使使其其回回跳跳到到某某 高高 度度 h h，用用 两两 个个 高高 度度 的的 比比 值值 计计 算算 肖肖 氏氏 硬硬 度度 值值:HS=Kh/h0:HS=Kh/h0材料物理性能-硬度优优点点：操操作作简简便便，测测量量快快速速，压压痕痕小小，携携带带便便利利，可可到到现现场场进进行行测测试试等等；硬硬度度机机一一般般为为手手提提式式，主主要要用用于于检检验验大大型型工工件件：轧轧辊辊、机机床床床床面面、导导轨轨，曲曲轴轴、大齿轮等的硬度。大齿轮等的硬度。缺缺点点：测测定定精精度度较较低低，重重复复性性差差；弹弹性性模模数数不不同同的的材料，其结果不能
30、材料，其结果不能 相互比较。相互比较。2.6.2 肖氏硬度的特点肖氏硬度的特点材料物理性能-硬度2.7 莫氏硬度n n陶瓷及矿物材料常用的划痕硬度称为莫陶瓷及矿物材料常用的划痕硬度称为莫氏硬度，它只表示硬度从小到大的依次，氏硬度，它只表示硬度从小到大的依次，不表示软硬的程度，后面的材料可以划不表示软硬的程度，后面的材料可以划破前面材料的表面。起初为破前面材料的表面。起初为10级，后来级，后来因为出现了人工合成的高硬度材料，分因为出现了人工合成的高硬度材料，分为为15级。级。材料物理性能-硬度材料物理性能-硬度2.8 硬度与其他力学性能的联系硬度与其他力学性能的联系n n至今没有从理论上确定材料的硬度与其他至今没有从理论上确定材料的硬度与其他力学性能指标的内在联系。力学性能指标的内在联系。n n依据大量试验确定了硬度与某些力学性能依据大量试验确定了硬度与某些力学性能指标（抗拉强度等）之间的对应关系。指标（抗拉强度等）之间的对应关系。n 但硬度的测量对实际材料的应用具有很好的好用但硬度的测量对实际材料的应用具有很好的好用n 意义。意义。材料物理性能-硬度