1.1.3 硬度

硬度是指材料抵抗局部变形，尤其是塑性变形、压痕或划痕的能力，是衡量材料软硬程度的指标。由于可根据硬度值估计出金属材料近似的强度和耐磨性，因此硬度在一定程度上反映了材料的综合力学性能，应用很广。

材料的硬度是通过硬度试验来测定的。硬度试验所用设备简单，操作简便、迅速，可直接在半成品或成品上进行试验而不损坏被测件，因此常将硬度要求作为技术条件标注在零件图或写在工艺文件中。

硬度试验方法较多，常用的有布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和里氏硬度试验法。

1.布氏硬度

布氏硬度的试验原理是用一定直径D的硬质合金球做压头，在规定试验力F的作用下，压入被测金属试样表面（图1-2），保持规定的时间后卸除试验力，测量被测试样表面所形成的压痕直径d，用载荷与压痕球形表面积的比值作为布氏硬度值，用符号HBW表示。

式中 F——试验力（N）；

S——永久压痕球形表面积（mm2）。

布氏硬度值由硬度数值、硬度符号和试验条件（球体直径、试验力大小和保持时间）表示。例如，220 HBW 5/250表示用直径5mm的硬质合金球在2.452kN试验力下保持10～15s测定的布氏硬度值为220。硬度值越大，表示被测材料硬度越高。布氏硬度试验范围上限为650HBW。

布氏硬度试验法压痕面积较大，能反映出较大范围内材料的平均硬度，所测结果较准确、稳定，但操作不够简便。又因压痕大，故不宜测试薄件或成品件。布氏硬度主要用来测定灰铸铁、非铁金属及退火、正火和调质的钢材等。

2.洛氏硬度

洛氏硬度的试验原理是用顶角为120°的金刚石圆锥压头或直径为1.5875mm的碳化钨合金球压头，在初载荷与主载荷先后作用下，压入被测金属表面（图1-3），保持规定时间后卸除主载荷，根据残余压痕深度增量来测定金属材料的硬度。

在图1-3中，0-0位置为圆锥压头的初始位置，即压头没有与被测金属表面接触时的位置；1-1为在初载荷98.07N（10kgf）作用下，压头压入深度h₀的位置；2-2为加上主载荷后，压头再往下压入深度h₁的位置；3-3为卸除主载荷后，被测金属弹性变形恢复，使得压头向上回升h₂时的位置。洛氏硬度就是用压头受主载荷作用实际压入被测金属表面产生塑性变形的压痕深度值h的大小来衡量被测金属的硬度。压痕深度值h越大，则被测金属的硬度越低。为适应习惯上数值越大，硬度越高的概念，常用一常数K减去h/0. 002作为洛氏硬度值，用符号HR表示，该值可直接从硬度计表盘上读出。

式中 K——常数。当用金刚石圆锥作压头时，K= 100；当用碳化钨合金球作压头时，K=130。

洛氏硬度表示的方法是在符号前写出硬度值，如60HRC。常用洛氏硬度的试验条件及应用范围见表1-1。

3.维氏硬度

维氏硬度试验原理与布氏硬度试验原理相似，区别在于维氏硬度的压头是两相对面夹角为136°的正四棱锥金刚石。试验时，在规定试验力F作用下，压头压入试件表面，保持一定时间后卸除试验力，测量压痕两对角线长度，求其平均值，用于计算压痕表面积，如图1-4所示。维氏硬度值就是试验力F与该压痕表面积的比值，用符号HV表示，单位为kgf/mm2。

维氏硬度值不需要计算，一般是根据压痕对角线长度平均值查GB/T 4340.4—2022《金属材料 维氏硬度试验 第4部分：硬度值表》中的附表得出。维氏硬度习惯上不标单位，其表示方法为：在符号HV前面写出硬度值，HV后面依次用相应数字注明试验力和保持时间（10～15s不标）。例如640 HV 30/20，表示在30kgf试验力作用下，保持20s测得的维氏硬度值为640。

维氏硬度试验法所用试验力小，压痕深度浅，轮廓清晰，数字准确可靠，故广泛用于测量金属镀层、薄片材料和化学热处理后的表面硬度。又因其试验力可在很大范围内选择（49.03～980.7N），所以可测量从很软到很硬的材料。但维氏硬度试验不如洛氏硬度试验简便、迅速，不适合成批生产的常规试验。

4.里氏硬度

里氏硬度是瑞士Leeb博士在1978年首次提出的一种全新硬度测量方法，其测量原理是用规定质量的冲击体在弹簧力作用下以一定速度冲击试样表面，当冲击体撞击被测表面时会使表面产生变形，这将导致动能的损耗，试样表面硬度越大，动能损耗就越小。利用电磁学原理，通过检测与速度成正比的电压，可得到冲击体距试样表面1mm处的冲击速度与回弹速度之比，从而得到里氏硬度值。

里氏硬度是用冲击体在距离试样表面1mm处的回弹速度与冲击速度之比来表示硬度值，其计算公式如下：

式中 HL——里氏硬度值；

v_A——冲击体冲击速度（m/s）；

v_B——冲击体回弹速度（m/s）。

里氏硬度计能即时显示出硬度测量值，且支持多种硬度制式，能在不同硬度制式间自由转换。里氏硬度计如图1-5所示。

里氏硬度测量具有以下特点：

1）里氏硬度计属于动载测试。里氏硬度检测的是冲击体冲击与反弹的速度，通过速度修正，可在任意方向上使用，使用非常简便。

2）里氏硬度计体积小、重量轻，便于现场检测。里氏硬度计的硬度传感器如同笔一般大小，无须工作台，无论是大、重型工件，还是几何形状复杂的工件，都很容易检测。而布氏、洛氏、维氏硬度计由于体积庞大，不便于在现场使用，特别是在测试大、重型工件时，这些硬度计的工作台由于容纳不下工件，因此无法检测。

3）测量范围广，可测量多种金属材料。

4）要求试样有一定的质量和厚度，不适合测试小工件。

5）里氏硬度在国际上还没有被普遍接受，迄今未被国际标准化组织采纳，试验数据在国际上还缺乏来自独立的第三方或国际组织方面的监督与复核。

5.硬度与抗拉强度的关系

硬度反映了金属材料在局部范围内对塑性变形的抵抗能力，因此材料的硬度与强度之间有一定内在联系，强度越高，塑性变形抗力就越大，硬度值也越高。根据材料的硬度值可以大致估计材料的抗拉强度，其经验公式如下：

低碳钢（<176HBW）　　R_m≈3.6×HBW（MPa）

高碳钢（>175HBW）　　R_m≈3.45×HBW（MPa）

合金调质钢　　　　　　　R_m≈3.25×HBW（MPa）

灰铸铁　　　　　　　　　R_m≈HBW（MPa）