大连理工大学精品课程-材料力学性能-第二章-硬度

布氏硬度试验用的压头直径D有10mm， 5mm，2.5mm，1mm四种，主要根据试样厚 度选择，应使压痕深度h小于试样厚度的1/8， 若试样足够厚时应尽量选用10mm的压头， 保证其硬度值能反映在较大范围内各组成 相的平均性能。载荷保持时间为10～15s。
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2020年7月28日 第二章 其他静载荷下材料的力学性能 星期二
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四、维氏硬度试验
F
维氏硬度试验原理与
布氏硬度相同，也是根据
压痕单位面积所承受的试
验力计算硬度值。所不同
的是维氏硬度试验的压头
是两相对面夹角＝136º的
金刚石四棱锥体。 18
图2-24 维氏硬度试验原理图
2020年7月28日 第二章 其他静载荷下材料的力学性能 星期二 压头在试验力F(N)作用下将试样表面压出一个 四方锥形的压痕，经一定保持时间后卸除试验力， 测量压痕对角线的平均长度d=(d1+d2)/2，计算压痕 表面积A(mm2)。维氏硬度HV用下式计算：
1、努氏硬度试验：是一种显微硬度方法。它与显微
维氏硬度有所不同：一是压头形状不同，其四棱锥
金刚石压头的两个对面角分别为130º和172º30，因
此得到两个长度不同的对角线。二是其硬度值不是
试验力除以压痕表面积，而是除以压痕投影面积。
具体数值按下式计算：
HK
0.102
14.23
F(N)
l 2 (m)
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金刚石圆锥压头k=0.2mm； 洛
氏
淬火钢球或硬质合金球压头 硬
度
k=0.26mm。
试
验
实际使用的洛氏硬度计， 机
其测量压痕深度的百分表表
盘上的刻度已按上式换算为
相应的硬度值，可直接读出。
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F2
D1
样，要测得相同的HBW值，
F1
在选配压头球直径D及试验力
F时，应保证得到几何相似的
压痕，即压痕的压入角保持
不变，如图所示。应使：
F1 D12
F2 D22
Fn Dn 2
常数
d1 d2
图2-22 压痕相似原理
6 同时，控制d=(0.24~0.6)D以保证得到有效硬度值。
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2020年7月28日 第二章 其他静载荷下材料的力学性能 星期二 二、布氏硬度试验 布氏硬度试验是用一定直径D(mm)的硬
质合金球作为压头，施加一定的试验力F(N)
将其压入试样表面，经规定时间t(s)后卸除
试验力，试样表面将留下残留压痕，测量压
痕的平均直径d(mm)，求得压痕球形面积
A(mm2)，其布氏硬度值：
弹性回跳法
压入法
划痕法 2
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肖氏硬度 莫氏硬度
布氏硬度 洛氏硬度 维氏硬度
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硬度试验一般仅在金属表面局部体积内 产生很小的压痕，因而很多机件可在成品上 试验而无需加工专门试样。硬度试验由于设 备简单，操作方便，同时又能敏感地反映出 材料的化学成分和组织结构的差异，因而被 广泛用于检查金属材料的性能、热加工工艺 的质量或研究金属组织结构的变化。
0.102F 0.204F sin 68
F
HV
A
d2
0.1891d 2
维氏硬度常用试验力范围在5kgf～100kgf。也
可选择0.01kgf～0.1kgf用以测定薄膜的硬度，亦即
19 显微维氏硬度。
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维氏硬度表示方法：硬度值－符号HV－试验力－试 验力保持时间(10~15s不标注)。如640HV30表示在试验力 为30kgf下保持10~15s测得的维氏硬度值为640。
努氏硬度试验由于压痕细长，而且 只测量长对角线，精确度较高，可测 量薄膜、渗碳层等硬度。
2020年7月28日 第二章 其他静载荷下材料的力学性能 星期二 2、肖氏硬度试验和里氏硬度试验 肖氏硬度试验是一种动载荷试验法，其原理是 将一定质量的带金刚石圆头或钢球的重锤从一定高 度落于金属试样表面，根据重锤回跳的高度来表征 硬度值的大小，也称回跳硬度，用符号HS表示。 里氏硬度试验也是动载荷试验，它是用规定质 量的碳化钨球冲头在弹力作用下以一定速度冲击试 样表面，用冲头的回弹速度表征金属的硬度值，用 22 符号HL表示。
优点：由于压头直径较大，压痕面积也较 大，测得的硬度值能反映金属材料在较大 范围内各组成相的平均性能，不受个别组 成相及微小不均匀性的影响，因此，布氏 硬度试验特别适用于测定灰铸铁、轴承合 金等具有粗大晶粒或组成相的材料。压痕 大的另一个优点是数据稳定，重复性强。
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2020年7月28日 第二章 其他静载荷下材料的力学性能 星期二 三、洛氏硬度试验 洛氏硬度试验以压痕深度表示材料的硬度值。 常用压头有两种：圆锥角120º的金刚石圆锥体和一定 直径的小淬火钢球或硬质合金球。 为保证压头与试样表面接触良好，试验时先加 初始试验力F0，在试样表面得一压痕，深度为h0，此 时测量压痕深度的指针在表盘上的指示为零。然后 加上主试验力F1，压头压入深度为h1，表盘上指针以 逆时针方向转动到相应刻度位置。 11
布氏硬度试验的缺
点是对不同的材料需更
布 氏
硬
换不同直径的压头和改
度
试
变试验力，测量压痕直
验 机
径也比较麻烦，用于自
动检测时受到限制，并
且压痕直径较大时也不
9 宜在成品上试验。
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布氏硬度表示方法： 600HBW1/30/20?
按顺序：硬度值－符号HBW－压头直径 －试验力－试验力保持时间(10~15s不标 注)，其中后三项之间用/隔开。如 350HBW5/750 表 示 ： 用 直 径 5mm 的 硬 质 合金球在750kgf作用下保持10~15s测得的 硬度值为350。
HBW 0.102F
0.204F
4
A D(D D2 d 2 )
h
2020年7月28日 第二章 其他静载荷下材料的力学性能 星期二 F D
试样 d
图2-21 布氏硬度试验原理图
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对于材料相同而厚薄不同
D2
的试样，或对软硬不同的试
为了能在一台硬度计上测定不同软、 硬或厚、薄试样的硬度，可采样不同的压 头和试验力组合成几种不同的洛氏硬度标 尺。用不同标尺测定的洛氏硬度符号在 HR后面加上标尺字母表示，共11种，分 别以A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、 K表示，常用的有HRA、HRB和HRC。
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2020年7月28日 第二章 其他静载荷下材料的力学性能 星期二 表2-2 常用洛氏硬度试验的标尺、试验规范及应用
材料力学性能
Mechanical properties of materials
第二章：硬度
材料科学与工程学院
2020年7月28日 第二章 其他静载荷下材料的力学性能 星期二 第六节 硬度 一、金属硬度的意义及硬度试验的特点 硬度是表示材料软硬程度的一种性能，其物理 意义随试验方法的不同而不同，它不是金属独立的 力学性能。
洛氏硬度试验的优点是操作简便快捷，可 直接读出硬度值，压痕较小，可在工件上进行 试验。采样不同标尺可测定各种不同金属或厚 薄不一的试样的硬度，因而在实际中得到了广 泛的应用。其缺点是由于压痕较小，代表性差。 若材料中有偏析及组织不均匀，测量值的重复 性差。此外，用不同标尺所测的值相互之间没 有联系，不能直接比较。
维氏硬度的优点是不存在试验力F与压头直径D之间 所规定条件的约束，也不存在不同标尺的硬度值之间无 法统一的弊端。维氏硬度试验时不仅试验力可以任意选 取，而且压痕尺寸测量精度较高，硬度值较为准确。但 由于需要通过测量压痕对角线长度后才能计算或查表， 工作效率比洛氏硬度试验低。
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2020年7月28日 第二章 其他静载荷下材料的力学性能 星期二 五、其它硬度试验方法
金，
淬火钢，高硬度 1471 20~70 铸件，珠光体可
锻铸铁
注：B标尺洛氏硬度有两种材料的球压头，在硬度符号后面要加以 明示：S-钢球，W-硬质合金球。
洛氏硬度的表示方法是：硬度值－符号HR－标尺字母。
16 如60HRC表示用标尺C测定的洛氏硬度值为60。
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75
25
0
75
25
0
75
25
50
50
50
F1 F0 试样
F1 F0 试样
F1 F0 试样
h0 h1 h
加初始载荷F0
加主载荷F1
卸除主载荷
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图2-23 洛氏硬度试验过程示意图
2020年7月28日 第二章 其他静载荷下材料的力学性能 星期二 试样在F1作用下产生的总变形h1中包括弹性变形 和塑性变形。将F1卸除后，总变形中的弹性变形恢 复，压头再回升一段距离，这时试样表面残留的塑 性变形深度h即为压痕深度，而指针顺时针方向转动 停止时所指的数值就是洛氏硬度值。h越大，硬度值 越低。为了照顾习惯上数值越大硬度越高的概念， 一般用常数k减去h来计算硬度值，并规定每0.002mm 为一个洛氏硬度单位，其计算式为： HR k h 0.002 13
标尺
硬度 符号
压头类型
初始试验 主试验 总试验 测量硬 力F0/N 力F1/N 力F/N 度范围
应用
A HRA 金刚石圆锥
490.3
588.4
20~88
硬质合金，硬化 薄钢板
B HRB 1.588mm球 98.07 C HRC 金刚石圆锥
882.6 1373
低碳钢，铁素体 980.7 20~100 可锻铸铁，铜合