硬度值洛氏硬度及试验法

洛氏硬度也采用压入法，试验时使用一个顶角为120°的金刚石圆锥或一定直径的钢球作为压头，在规定载荷作用下压入试样表面，并根据压痕的凹陷深度来确定其硬度值。洛氏硬度是以压痕的凹陷深度来作为计量硬度的指标，它的特点是压痕小，可测量较高硬度，并可直接读取硬度值，操作方便效率高。由于洛氏硬度试验法克服了布氏硬度试验法的缺点，故成为热处理车间产品检验的主要方法之一。

洛氏硬度用符号HR表示，HR前面可记录硬度数值，后面为使用的标尺。例如60HRC表示用C标尺测定的洛氏硬度值为60。为了可以用一个试验机测定从极软到极硬材料的硬度，洛氏硬度采用了不同的压头和总负荷，组成了不同的洛氏硬度标尺，各种洛氏硬度标尺的测定原理都是相似的，下面以洛氏硬度HRC和HRB的测量为例，说明洛氏硬度的试验原理。

如图2所示：总试验力F（F₀ F_t）分二次加入，第一次先加初始试验力F₀（98.07 N），获得压痕深度为h₀，然后加主试验力F₁（1.373 kN），压痕深度又增加h₁；随后将主试验力卸除，只留下初始试验力；此时由于主试验力所产生的弹性变形部分已恢复，只剩下塑性变形，导致压痕深度的增量减小到e，由此可以用初始试验力下的残余压痕深度增量e来计算金属材料的洛氏硬度。

但是如果直接以残余压痕深度增量e来作计算指标，就会出现硬的金属硬度值小，而软的全属硬度值大的现象，这和布氏硬度所标志的硬度大小概念相反，也不符合人们的习惯，因此，须用常数K来减去所得的残余压痕深度增量e作为洛氏硬度的指标。HRC的常数K_RC选用0.2，而HRB的常数K_RB则选0.26（因HRB常用于测软金属材料的硬度，压痕深度有时会超过0.2 mm，若常数取0.2，硬度将会出现负值）。同时，还规定以压入深度0.002 mm作为测量标尺刻度的一分格。这样HRC的常数相当于100格，HRB的常数相当于130格，洛氏硬度值则由下两式确定：

当e=0时HRC=100

e=0.2时HRC=0

而

当e=0时HRB=130

e=0.2时HRB=30；式中，e-残余压痕深度增量（mm）。

洛氏硬度表盘指示器的标尺刻度就是按上述关系式来标定的，这样测量时就可从表盘上直接读取硬度值。

布氏硬度试验法是用淬火钢球或硬质合金球，在规定载荷作用下压入被测试样表面，测量被测试样表面所形成的压痕直径，由此计算出压痕单位面积所受的压力，并以此作为计量硬度的指标。它的特点是材料内部组织不均匀性对硬度的影响小，测试数据分散度小，复现性好，而且硬度值与抗拉强度有一定的对应关系。但它不能测硬度高的材料，而且操作繁琐。这是因为布氏硬度计压头是用淬火钢球制作的，试样过硬会导致钢球本身变形而损坏或测不准；另外因布氏硬度压痕大，故不宜用于测定表面不允许损伤的零件；此外由于布氏硬度试验时，不能直接测取硬度值，并要求试验表面比较平滑，因而操作麻烦，用于大批的产品检查是不合适的。布氏硬度用符号HB表示，HB后面的字母表示压头的种类，如HBS表示压头为钢球，适用于布氏硬度值在450以下的材料；HBW表示压头为硬质合金球，适用于布氏硬度值在450～650范围内的材料。

布氏硬度值是由布氏硬度试验法测定的。其原理如图1所示。该方法是在直径为D的钢球或硬质合金球上施加一定载荷F，使钢球压入被测金属表层，经规定持续时间后卸除载荷，测定压痕直径d，以球冠形压痕单位面积所承受的平均负荷作为布氏硬度HB值，即

式中，F-所加载荷，N；

D-压头直径，mm；

d-压痕直径，mm。

由于试样材料的种类、硬度和试样的厚度等不同，试验时使用载荷的大小、钢球直径及载荷停留时间也不一样。

测定布氏硬度时，可根据载荷F、钢球直径D以及测得的压痕直径d，直接从布氏硬度表中查得HB值（见附录1），且习惯上不标注单位。布氏硬度值的书写表示方法应包含下列几个部分：

1. 硬度数据；

2. 布氏硬度符号；

3. 球体直径；

4. 载荷；

5. 载荷保持时间（10-15s不标注）。

由于布氏硬度试验的压痕面积较大，因此布氏硬度能反映较大范围内的平均硬度，有很高的测量精度和测量数据的稳定性。但试验操作比较费时，不宜用于大批逐件检验以及某些不允许表面有大伤痕的零件。

硬度是衡量材料软硬程度的指标，也是金属材料最常用的力学性能指标之一。硬度通常被认为是金属材料对压入塑性变形、划痕、磨损或切削等方面的抗力。硬度不仅决定于所研究材料本身的宏观与微观条件（如宏观的变形程度、冷热加工条件、微观的金属晶体点阵类型、晶格常数和原子间的结合力等），而且也决定于测试的特征和条件量。

测量硬度的方法有很多种，一般采用压入法，它是以一定几何形状的压头，在一定载荷下压入被测试材料的表面，根据被压入程度来确定其硬度。压入法测得的硬度反映了材料抵抗外来硬的物体压入其表面的能力，也反映了材料受压时抵抗局部塑性变形的能力。

由于试验方法不同，硬度值的物理含义也不相同；对于常用的压入法硬度试验而言，硬度表征了材料在特定的压头和力的作用下所反映出的综合力学性能，其中包括弹性、塑性、塑性形变强化率、强度、韧性以及抗摩擦性能等一系列不同物理量。硬度检测是力学性能试验中最常用的一种方法，也是一种最快速最经济的试验方法，由于硬度试验的结果在一定条件下能敏感地反映出材料在化学成分、组织结构和热处理工艺上的差异，所以硬度试验在原材料进厂检验和机械产品热处理质量检验，以及在材料固态相变过程的研究和新材料开发中被广泛应用。

维氏硬度试验法是用夹角为136°的正四棱锥体金刚石压头，在规定载荷作用下压入被测试金属表面来测量硬度，并以压痕单位面积所受的压力作为计量硬度的指标，维氏硬度以符号HV来表示。维氏硬度试验法的特点是能适应各种软硬材料以及薄层、表层和显微区域的硬度测定，而且测量精度高，但试样制作要求高、操作较复杂。

维氏硬度试验法相对于布氏和洛氏硬度而言，有以下优点。

1.试验负荷可任意选用，不同负荷下的压痕都满足相似原理，这样可便于不同软硬或厚薄试样，以及薄层、表层及显微区域的硬度测定，并保证同一试样所测硬度，不受试验负荷的影响。

2.压头采用金剐石四方角锥，故可像洛氏硬度一样适用于各种软硬材料，但又克服了洛氏硬度各种标度不能统一的缺点，见图3。

3.由于金刚石四方角锥的压痕轮廓比布氏的球形轮廓清晰，因此测量压痕对角线时，比布氏法测量压痕直径更准确；另外，四方角锥的压痕对角线长度刚好是压入深度的7倍，所以测量压痕对角线长度比洛氏硬度测定压入深度更准确；故用维氏硬度试验法测维氏硬度压头角锥锥面夹角的确定定硬度精确度高，特别适用于测定高硬度、薄层、显微区域（压痕都很小）的硬度试验。

4.由于选用夹角为136°的四方角锥，可以使维氏硬度的压痕面积F_凹和布氏硬度的压痕面积F_凹相等，这样维氏硬度试验法所测数值HV与布氏硬度法所测数值HB基本相等，维氏硬度值与抗拉强度之间也保持一定关系。但是在HB大于400时，由于钢球本身变形之故，布氏硬度值HB小于维氏硬度值HV。如图4所示，可以证明压痕直径为0.375D（D为钢球直径）的球形凹陷面积正好与面夹角为136°的四方角锥凹陷面积相等。

维氏硬度与布氏硬度一样，也是根据压痕凹陷面积上所受的应力来确定其硬度值。即

式中，F-试验力（N）；

S₀-压痕凹陷面积（mm²）。

但维氏硬度所用的压头不是钢球，而是锥面夹角为136°的金刚石四方角锥。由于采用的是金刚石四方角锥，不管压头上的试验力如何改变，试样上压痕的几何形状恒相似。因此，维氏硬度试验时，试验力F的大小可任意选择。经计算可证明：

式中，F-试验力（N）；

d-压痕对角线长度的算术平均值（mm）。

一式可用来计算维氏硬度值，但实际生产中常用直接查表方法来获得HV数值。一般硬度计说明书上都供应一系列标准试验力下的HV-d关系表，只要测出压痕对角线长度d，根据所用的试验力，在相应的关系表中即可查出HV值。另外，用于测定钢表面硬化层、渗层和镀层硬度的小负荷维氏硬度计，以及用于测定显微组织硬度的显微硬度计，其试验原理与维氏硬度的试验原理相同，只是施加的试验力更小，产生的压痕也越小，而试验机上测量对角线用的显微镜则有更高的放大倍数。为此，我国参照ISO标准将原来的3个国家标准《金属维氏硬度试验方法》、《金属小负荷维氏硬度试验方法》、《金属显微维氏硬度试验方法》，合并为一个国家标准GB/T 4340.1-1999《金属维氏硬度试验第一部分：试验方法》。

金属的各种硬度值与其强度值之间在理论上并无严格的相互关系，但根据大量的试验可粗略地得到换算值或换算关系。即：

当HB<400时HV≈HB

根据试验研究总结出的经验公式，抗拉强度σ_b与布氏硬度之间有近似关系为：

对于钢铁材料，K=0.33~0.36；对于铜合金及不锈钢，K=0.40~0.55。

钢铁材料的旋转弯曲疲劳极限σ_-1与布氏硬度之间的近似关系为：

常见邵氏硬度值的对比：

八、硬度值不准确：有二种情况导致测试硬度不准确，如果所用的压头是金钢石压头，首先用指甲表面轻轻与压头顶部磨擦一二下，观察指甲有没划出深痕迹，有深痕迹表示压头已损坏，反之为好的压头。第二种情况就是仪器微调处未调好，打开硬度计顶盖，用一字螺丝刀把顶针部二颗螺丝调松，然后把微调铁块向前调节使硬度值调高，反之为调低。

九、加荷把手不能动：传动结构生锈，打开硬度计背铁板，观察生锈部位加上防锈油就可以解决。

十、加荷时指针动作太快：油泵缺油，打开硬度计背铁板，往油泵注满油，再细调一下油泵加压螺丝即可。

十一、加荷时读数指针不动：读数盘损坏，更换读数盘即可。2100433B