硬度测量实验报告

一、实验目的

1. 了解常用硬度测量原理及方法；

2. 了解布氏和洛氏硬度的测量范围及其测量步骤和方法；

二、实验设备

洛氏硬度计、布洛维硬度计、轴承、试块

三、实验原理

1. 硬度是表示材料性能的指标之一，通常指的是一种材料抵抗另一较硬的具有一定形状和尺寸的物体（金刚石压头或钢球）压入其表面的阻力。由于硬度试验简单易行，又无损于零件，因此在生产和科研中应用十分广泛。常用的硬度试验方法有：洛氏硬度计，主要用于金属材料热处理后的产品性能检验。布氏硬度计，应用于黑色、有色金属材料检验，也可测一般退火、正火后试件的硬度。

2. 洛氏硬度

洛氏硬度测量法是最常用的硬度试验方法之一。它是用压头(金刚石圆锥或淬火钢球)在载荷(包括预载荷和主载荷)作用下，压入材料的塑性变形浓度来表示的。通常压入材料的深度越大，材料越软；压入的浓度越小，材料越硬。下图表示了洛氏硬度的测量原理。

图： 未加载荷，压头未接触试件时的位置。

2-1：压头在预载荷P0(98.1N)作用下压入试件深度为h0时的位置。h0包括预载所相起的弹形变形和塑性变形。

2-2：加主载荷P1后，压头在总载荷P= P0+ P1的作用下压入试件的位置。

2-3：去除主载荷P1后但仍保留预载荷P0时压头的位置，压头压入试样的深度为h1。由于P1所产生的弹性变形被消除，所以压头位置提高了h，此时压头受主载荷作用实际压入的浓度为h= h1- h0。实际代表主载P1造成的塑性变形深度。

h值越大，说明试件越软，h值越小，说明试件越硬。为了适应人们习惯上数值越大硬度越高的概念，人为规定，用一常数K减去压痕深度h的数值来表示硬度的高低。并规定0.002mm为一个洛氏硬度单位，用符号HR表示，则洛氏硬度值为：

3.布氏硬度

布氏硬度的测定原理是用一定大小的试验力F(N)把直径为D（mm）的淬火钢球或硬质合金球压入被测金属的表面，保持规定时间后卸除试验力，用读数显微镜测出压痕平均直径d(mm)，然后按公式求出布氏硬度HB值，或者根据 d从已备好的布氏硬度表中查出HB值。 测量范围为8~650HBW 　

 

由于金属材料有硬有软，被测工件有厚有薄，有大有小，如果只采用一种标准的试验力F和压头直径D，就会出现对某些工件和材料的不适应的现象。因此，在生产中进行布氏硬度试验时，要求能使用不同大小的试验力和压头直径，对于同一种材料采用不同的F和D进行试验时，能否得到同一的布氏硬度值，关键在于压痕几何形状的相似，即可建立F和D的某种选配关系，以保证布氏硬度的不变性。 特点：一般来说，布氏硬度值越小，材料越软，其压痕直径越大；反之，布氏硬度值越 大，材料越硬，其压痕直径越小。布氏硬度测量的优点是具有较高的测量精度，压痕面积大，能在较大范围内反映材料的平均硬度，测得的硬度值也较准确，数据重复性强。

四、实验内容

1. 测量滚动轴承表面洛氏硬度值

使用洛氏硬度计对轴承外圈进行硬度测定，记录相关测量数据：

加载力（kgf）= 1471 N

2. 测量试块表面布氏硬度值

在布洛维硬度计上，使档位调至布氏硬度测定档，试块进行表面硬度测定，记录相关测定数据：

加载力（kgf） = 980 N

 (D=2.5 mm ; d=读数差×0.004)

五、思考题

1. 测量硬度前为什么要进行打磨？

答：测试样品与工作台的接触面不平。按照国家标准GB/T 230.1-2004，洛氏硬度值=100-h/0.002，式中h为洛氏硬度计压头压入样品的深度，也就是说每0.002毫米或2微米代表1HRC硬度单位，因此被测试样品与工作台接触面的平整度将对测试结果产生极大的影响。当试样底面不平时，载荷完全施加时只要试样因为不平整而导致轻微的偏转，就可能使压头多向下移动几个微米，测试结果就可能引起1-5HRC的误差，甚至更大。因此，测试前被测样品的底面必须用机械加工（如磨床）或手工方法（如砂纸打磨）磨平，以减小测试误差。

2. HRC、HB和HV的试验原理有何异同?

答：1.布氏硬度(HB) 以一定的载荷(一般3000kg)把一定大小(直径一般为10mm)的淬硬钢球压入材料表面，保持一段时间，去载后，负荷与其压痕面积之比值，即为布氏硬度值(HB)，单位为公斤力/mm2 (N/mm2)。 2.洛氏硬度(HR) 当HB＞450或者试样过小时，不能采用布氏硬度试验而改用洛氏硬度计量。它是用一个顶角120°的金刚石圆锥体或直径为1.59、3.18mm的钢球，在一定载荷下压入被测材料表面，由压痕的深度求出材料的硬度。根据试验材料硬度的不同，分三种不同的标度来表示： HRA：是采用60kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度极高的材料(如硬质合金等)。 HRB：是采用100kg载荷和直径1.58mm淬硬的钢球，求得的硬度，用于硬度较低的材料(如退火钢、铸铁等)。 HRC：是采用150kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高的材料(如淬火钢等)。 3 维氏硬度(HV) 以120kg以内的载荷和顶角为136°的金刚石方形锥压入器压入材料表面，用材料压痕凹坑的表面积除以载荷值，即为维氏硬度HV值(kgf/mm2)。

3. HRC、HB和HV各有什么优缺点？各自适用范围是什么？举例说明HRC、HB和HV适用于哪些材料及工艺？

答：布氏硬度（HB）适用于退火正火钢，压痕大，适用于硬度不均匀材料，不适用于薄料。硬度值应在有效测量范围内（HRC为20-70）为有效；布氏硬度计多用于原材料和半成品的检测，由于压痕较大一般不用于成品检测。一般HBS只适用于450N/mm2(MPa)以下的金属材料，对于较硬的钢或较薄材料不适用；维氏硬度适用于较大工件和较深表面层的硬度测定，小负荷维氏硬度试验负荷1.961~＜49.03N，它适用于较薄工件、工具表面或镀层的硬度测定；显微维氏硬度试验负荷＜1.961N，适用于金属箔、极薄表面层的硬度测定。

第二篇：硬度测量原理

第二节 硬度

硬度是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力，是衡量材料软硬的判据，是一个综合的物理量。

材料的硬度越高，耐磨性越好，故常将硬度值作为衡量材料耐磨性的重要指标之一。

硬度的测定常用压入法。把规定的压头压入金属材料表面层，然后根据压痕的面积或深度确定其硬度值。根据压头和压力不同，常用的硬度指标有布氏硬度（HBS、HBW）、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC等）和维氏硬度（HV）。

一、布氏硬度

1、试验原理

用直径为D的淬火钢球或硬质合金球，以相应的试验力F压入试样表面，保持规定的时间后卸除试验力，在试样表面留下球形压痕，如左图所示。布氏硬度值用球面压痕单位面积上所承受的平均压力表示。用淬火钢球作压头时，布氏硬度用符号“HBS”表示;用硬质合金球作压头，布氏硬度用符号“HBW”表示。

HBS(HBW)：用钢球（硬质合金球）试验的布氏硬度值；

F：试验力（N）；

d：压痕平均直径（mm）；

D：钢球（硬质合金球）直径（mm）．

布氏硬度的单位为N/mm2，但习惯上只写明硬度值而不标出单位。

2、选择试验规范

在进行布氏硬度试验时，钢球直径Ｄ、施加的试验力Ｆ和试验力保持时间、应根据被测试金属的种类和试样厚度，按下表所示的布氏硬度试验规范正确地进行选择。

布氏硬度试验规范

由布氏硬度值的计算公式可以看出，当所加试验力Ｆ与钢球（或硬质合金球）直径Ｄ已选定时，硬度埴HBS（HBW）只与压痕直径d 有关。d 越大，则HBS（HBW）值越小，表明材料越软；反之，d 越小，HBS（HBW）值越大，表明材料越硬。

除了采用钢球（或硬质合金球）直径Ｄ为10ｍｍ，试验力Ｆ为3000ｋｇｆ（２９４２１Ｎ），保持时间10－15s的试验条件外，在其它试验条件下测得的硬度值，应在符号HBS的后面用相应的数字注明压头直径、试验力大小和试验力保持时间。

如120HBS10/1000/30，即表示用10mm的钢球作压头，在1000kgf(9807N)的试验力作用下，保持时间为30s后所测得的硬度值为120。

如500HBＷ5/750，即表示用5mm的硬质钢球作压头，在750kgf(735N)的试验力作用下，保持时间为01－15s后所测得的硬度值为500。

淬火钢球用于测定硬度HBS＜450的金属材料，如灰铸铁、有色金属以及退火、正火和调质处理的钢材等。为了避免压头变形，可用硬质合金球压头，它适用于测试HBW＜650的金属材料。（我国目前布氏硬度试验机压头主要是淬火钢球。）

3、试验的优缺点

布氏硬度试验的优点是：试验时使用的压头直径较大，在试样表面上留下压痕也较大，测得的硬度值也较准确。

布氏硬度试验的缺点是：对金属表面的损伤较大，不易测试太薄工件的硬度，也不适于测定成品件的硬度。

布氏硬度试验常用来测定原材料、半成品及性能不均匀的材料（如铸铁）硬度。

二、洛氏硬度

1、试验原理

洛氏硬度是以顶角为120°的金刚石圆锥体或直径为Φ1.588㎜的淬火钢球作压头，以规定的试验力使其压入试样表面。试验时，先加初试验力，然后加主试验力。压入试样表面之后卸除主试验力，在保留初试验力的情况下，根据试样表面压痕深度，确定被测金属材料的洛氏硬度值。

如下图所示，0－0为金刚石压头还没有和试样接触的位置。1－1是在初试验力作用下压头所处的位置，压入深度为h1，目的是为了消除由于试样表面不光洁对试验结果的精确性造成的不良影响。图中2－2在总试验力（初试力＋主试验力）作用下压头所处位置，压入深度为h2。3－3是卸除主试验力后压头所处的位置，由于金属弹性变形得到恢复，此时压头实际压入深度为h3。故由于主试验力所引起的塑性变形而使压头压入深度为h＝h3－h1。洛氏硬度值由h的大小确定，压入深度h越大，硬度越低；反之，则硬度越高。一般说来，按照人们习惯上的概念，数值越大，硬度越高。因此采用一个常数c减去h来表示硬度的高低。并用每0.002㎜的压痕深度为一个硬度单位。由此获得的硬度值称为洛氏硬度值，用符号ＨＲ表示。

式中，c为常数（对于 HRC、HRA，c取0.2；对于HRB，c取0.26）。由此获得的洛氏硬度值ＨＲ为一无名数，试验时一般由试验机指示器上直接读出。

2、常用洛氏硬度标尺及适用范围

上述洛氏硬度的三种标尺中，以ＨＲＣ应用最多，一般经淬火处理的钢或工具都采用ＨＲＣ测量。在中等硬度情况下，洛氏硬度ＨＲＣ与布氏硬度ＨＢＳ之间关系约为1：10，如40ＨＲＣ　相当于400ＨＢＳ　。

如50ＨＲＣ，表示用ＨＲＣ标尺测定的洛氏硬度值为50。硬度值应在有效测量范围内（ＨＲＣ为20－70）为有效。

3、试验优缺点

优点：①操作简单迅速，效率高，直接从指示器上可读出硬度值；

②压痕小，故可直接测量成品或较薄工件的硬度；

③对于ＨＲＡ和ＨＲＣ采用金刚石压头，可测量高硬度薄层和深层的材料。

缺点：由于压痕小，测得的数值不够准确，通常要在试样不同部位测定四次以上，取其平均值为该材料的硬度值。

三、维氏硬度

布氏硬度试验不适用于测定硬度较高的材料。

洛氏硬度试验虽然可用于测定较材料和硬材料，但其硬度值不能进行比较。

维氏硬度试验可以测量从软到硬的各种材料以及金属零件的表面硬度，并有连续一致的硬度标尺。

1、试验原理

维氏硬度试验原理与布氏硬度相似，也是根据压痕单位表面积上的试验力大小来计算硬度值。区别在于压头采用锥面夹角为136°的金刚石正四棱锥体，将其以选定的试验力压入试样表面，按规定保持一定时间后卸除试验力，测量压痕两对角线长度，如书上Ｐ９图1－5所示。维氏硬度值用四棱锥压痕单位面积上所承受的平均压力表示，符号ＨＶ。

式中　Ｆ－作用在压头上的试验力（Ｎ）

d－压痕两对角线长度的平均值（㎜）

ＨＶ值的单位为Ｎ /㎜ 2 ，但习惯上只写出硬度值而不标出单位。

2、常用试验力及其适用范围

维氏硬度试验所用试验力视其试件大小、薄厚及其它条件，可在49.03－980.7Ｎ的范围内选择试验力。常用的试验胃有49.03、98.07、196.1、294.2、490.3、980.7Ｎ。

ＨＶ符号前面的数字为硬度值，后面依次用相应数字注明试验力和试验力保持时间（10－15s不标注）。如６４０／ＨＶ３０／２０,表示30kgf (294.2N) 试验力，保持时间为20s测得维氏硬度值为640。

维氏硬度法适用范围宽，尤其适用于测定金属镀层、薄片金属及化学热处理后的表面硬度，其结果精确可靠。当试验力小于0.2 kgf　（1.961Ｎ）时，可用于测量金相组织中不同相的硬度。

3、试验优缺点

优点：①与布氏、洛氏硬度试验比较，维氏硬度试验不存在试验力与压头直径有一定比例关系的约束； ②不存在压头变形问题； ③压痕轮廓清晰，采用对角线长度计量，精确可靠，硬度值误差较小。

缺点：其硬度值需要先测量对角线长度，然后经计算或查表确定，故效率不如洛氏硬度试验高。

四、里氏硬度简介

里氏硬度试验用规定质量的冲击体在弹力作用下以一定速度冲击试样表面，用冲头距试样表面1㎜处的回弹速度与冲击速度的比值计算硬度值。其表示符号为ＨＬ。

如700ＨＬＤ表示用Ｄ型冲击装置测定的里氏硬度值为700。