1.1.2　硬度

硬度是指金属表面上局部体积内抵抗弹性变形、塑性变形或抵抗压痕划伤的能力。它是金属材料的重要性能之一，也是检验工模具和机械零件质量的一项重要指标。由于测定硬度的实验设备比较简单，操作方便、迅速，又属于无损检测，故在生产中应用十分广泛。

测定硬度的方法比较多，其中常用的硬度测定法是压入法。它用一定的静载荷（压力）把压头压在金属表面上，然后通过测定压痕的面积或深度来确定其硬度。常用的硬度实验方法有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度三种。

1．布氏硬度

布氏硬度的测定原理是用一定大小的载荷F，把直径为D的淬火钢球或硬质合金球压入被测材料表面，保持一定时间后卸除载荷，测量出压痕的平均直径d，用金属表面压痕的面积S除载荷所得的商作为布氏硬度值，如图1-3所示。

图1-3　布氏硬度测定原理

在实际应用时，布氏硬度值既不用计算，也不用标注单位，只需测出压痕直径d后，再查压痕直径与布氏硬度对照表即可。

布氏硬度的符号是：当压头是淬火钢球时，用HBS表示，适合布氏硬度值在450以下的材料；当压头为硬质合金球时，用HBW表示，适合布氏硬度值在450～650的材料。其表示方法的书写顺序为：

硬度值+压头符号+压球直径/试验力/保持时间（10～15s可不标注），例如：

150HBS10/10000/30表示用直径φ10mm的淬火钢球在10000N的载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为150。

500HBW5/7500表示用直径φ5mm的硬质合金球在7500N的载荷作用下保持10～15s 测得的布氏硬度值为500。

布氏硬度压痕面积较大，能较真实地反映材料的平均性能，测量精度较高，常用来测量灰铸铁、有色金属及硬度较小（HBS＜450、HBW＜650）的钢材。但因压痕较大，一般布氏硬度不适宜检验成品或薄件。

2．洛氏硬度

当材料的硬度较高或试样过小时，需要用洛氏硬度计进行硬度测试。洛氏硬度试验，是用顶角为120°的金刚石圆锥或直径为1.588mm（1/16"）的淬火钢球作压头，在初试验力F₀及总试验力F（初试验力F₀与主试验力F₁之和）的分别作用下压入金属表面，然后卸除主试验力F₁，在初实验力F₀下测定残余压入深度，用深度的大小来表示材料的洛氏硬度值，并规定每压入0.002mm为一个硬度单位，用HR表示。

洛氏硬度不用计算，也不用查表，试验时HR值从硬度计的表盘上直接读出。根据试验时采用的压头和试验力不同，洛氏硬度常采用三种标尺：HRA、HRB和HRC。常用洛氏硬度标度的试验条件和适用范围如表1-1所示。其中，HRC应用最广。

洛氏硬度的表示方法为：硬度值+符号。如58HRC表示C标尺测定的洛氏硬度值为58。

洛氏硬度试验的优点是操作迅速、简便，可从表盘上直接读出硬度值；测试硬度值范围较大；而且压痕直径小，可测量成品或薄工件。其缺点是精确性较差，硬度值重复性差，通常需要在材料的不同部位测试数次，取其平均值来代表材料的硬度。

表1-1　常用洛氏硬度标度的试验条件和适用范围

3．维氏硬度

维氏硬度的测定原理基本上和布氏硬度相同，也是以单位压痕面积的力作为硬度值计量。所不同的是所用压头是锥面夹角为136°的金刚石正四棱锥体，如图1-4所示。试验时在载荷F的作用下，在试样表面上压出一个正方形锥面压痕，测量压痕对角线的平均长度d，借以计算压痕的面积S，以F/S的数值来表示试样的硬度值，用符号HV表示。

图1-4　维氏硬度测定原理

由于维氏硬度所用压头为正四棱锥，当载荷改变时，压痕的几何形状恒相似，所以正四棱锥所用载荷可以随意选择（如50N、100N、1200N等），而所得到的硬度值是一样的。

维氏硬度表示方法为：硬度值+符号+载荷大小/保持时间（10～15s不标注）。例如：

640HV300表示用300N载荷保持时间10～15s测定的维氏硬度为640。

640HV300/20表示用300N载荷保持时间20s测定的维氏硬度为640。

维氏硬度可测软、硬金属，尤其是极薄零件和渗碳层、渗氮层的硬度，它测得的压痕轮廓清晰，数值较准确；而且不存在布氏硬度试验那种载荷与压头直径的比例关系的约束，也不存在压头变形问题。但是其硬度值需要测量压痕对角线，然后经计算或查表才能获得，效率不如洛氏硬度试验高，所以不适宜用于成批零件的常规检验。