金属硬度归类

1.7　金属的硬度
1.7.1金属硬度的概念
硬度并不是金属独立的基本性能，它是指金属在表面上的不大体积内抵抗变形或者破裂的能力。究竟它表征哪一种抗力则决定于采用的试验方法，如刻划法型硬度试验则表征金属抵抗破裂的能力，而压入法型硬度试验则表征金属抵抗变形的能力。
生产中应用最多的是压入法型硬度，如布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度等。所得到的硬度值的大小实质上是表示金属表面抵抗外物压 入所引起的塑性变形的抗力大小。它在真应力真应变曲线上的位置如图1－19所示。这是属于侧压加载方式下的应力状态。在力学状态图上，这一应力状态线处于很陡位置。所以压人法类型的硬度试验也可以认为是金属侧压试验。
由于压入法型(侧压)加载方式属于极“软”性的应力状态，a>2，即最大切应力远远大于最大正应力，所以在这种加载方式下几乎所有金属材料都会发生塑性变形，而起始塑性变形抗力和继续塑性变形的抗力(即形变强化能力)就直接决定压 入硬度值的大小。
硬度试验按其试验方法的物理意义可分为刻划硬度、回跳硬度(肖氏硬度)和压入硬度。刻划硬度主要表征材料对切断式破坏的抗力，所以它与SK之间有明确的对应关系。回跳硬度主要表征材料弹性比功大小。因此，必须对弹性模量相同的材料才能进行这一试验。压入硬度的含义已如上述。由于此法在生产上应用最为广泛，故下面主要谈压入法硬度。
1.7.2布氏硬度
1. 布氏硬度试验的基本原理
布氏硬度的测定原理是：在直径D的钢珠上，加一定负荷P，压入被试金属的表面(见图1－20)，根据金属表面压痕的陷凹面积F凹计算出应力值，以此值作为硬度值大小的计量指标。布氏硬度的符号以HB标计

式中 为压痕陷凹深度； 为压痕陷凹面积(试验参见动画演示)，这可以从压痕陷凹面积和整个球面积之比等于压痕陷凹深度 和球直径D之比的关系中求得。
由上式可知，在P和D一定时，HB的高低取决于t的大小，二者呈反比。t大说明金属形变抗力低，故硬度值HB小，反之则HB大。
在实际测定时，由于测定 较困难，而测定陷凹直径 却较容易，因此，要将上式中的 换成 。则有

可得出
2.布氏硬度试验规程
布氏硬度试验的基本条件是负荷P和钢球直径D必须事先确定，这样所得数据才能进行比较。但由于金属有硬有软，所试工件有厚有薄，如果只采用一个标准的负荷P(如3000kgf)和钢球直径D(如10mm)时，则对于硬合金(如钢)虽然适合，对于软合金(如铅、锡)就不适合，这时，整个钢球都会陷入金属中；同样，这个值对厚的工件虽然适合，对于薄的工件(如厚度小于2mm)就不适合，这时工件可能被压透。此外，压痕直径d和钢球直径D的比值也不能太大或太小，否则所得HB值失真，只有二者的比值在一定范围(0.2D<d<0.5D)才能得到可靠的数据。因此，在生产上应用这一试验时，就要求采用不同的P和D的搭配。现在问题是，如果采用不同的P和D的搭配进行试验时，对P和D应该采取什么样的规定条件才能保证同一材料得到同样的HB值。为了解决这个问题，需要运用相似原理(见图1－21)。
右图表示两个不同直径的钢球D1和D2在不同负荷P1和P2下压入金属表面的情况。由图1－21可知，如果要得到相等的 HB值，就必须使二者的压人角φ相等，这就是确定P和D的规定条件的依据。从图中可看出，φ和d的关系是
( )
则有
由式可知，要保证所得压人角φ相等，必须使P/D2为一常数，只有这样才能保证对同一材料得到相同的HB值。这就是对P和D必须规定的条件。
3.布氏硬度试验的优缺点和适用范围
优点：代表性全面，因为其压痕面积较大，能反映金属表面较大体积范围内各组成相综合平均的性能数据，故特别适宜于测定灰铸铁、轴承合金等具有粗大晶粒或粗大组成相 的金属材料。试验数据稳定。试验数据从小到大都可以统一起来。
缺点：钢球本身变形问题。对HB>450以上的太硬材料，因钢球变形已很显著，影响所测数据的正确性，因此不能使用。由于压痕较大，不宜于某些表面不允许有较大压痕的成品检验，也不宜于薄件试验。此外，因需测量d值，故被测处要求平稳，操 作和测量都需较长时间，故在要求迅速检定大量成品时不适合。
1.7.3洛氏硬度
1. 洛氏硬度值的规定
洛氏硬度的压头分硬质和软质两种。硬质的由顶角为120°的金钢石圆锥体制成，适于测定淬火钢材等较硬的金属材料；软质的为直径1/16"(1.5875mm)或1/8"(3.175mm)的钢球，适于退火钢、有色金属等较软材料硬度值的测定。洛氏硬度所加负荷根据被试金属本身硬软不等作不同规定，随不同压头和所加不同负荷的搭配出现了各种称号的洛氏硬度级。
生产上用得最多的是A级、B级和C级，即HRA(金钢石圆锥压头、60kgf负荷)，HRB(1/16"钢球压头、100kgf负荷)和HRC(金钢石圆锥压头、150kgf负荷)，而其中又以HRC用得最普遍。
因为洛氏硬度是以压痕陷凹深度t作为计量硬度值的指标。在同一硬度级下，金属愈硬则压痕深度t愈小，愈软则t愈大。如果直接以t的大小作为指标，则将出现硬金属t值小从而硬度值小，软金属的t值大从而硬度值大的现象，这和布氏硬度值所表示的硬度大小的概念相矛盾，也和人们的习惯不一致。为此，只能采取一个不得已的措施，即用选定的常数来减去所得t值，以其差值来标志洛氏硬度值。此常数规定为0.2mm(用于HRA、HRC)和0.26mm (用于HRB)。因此

　　　　　　
其中t为压痕的陷凹深度。
2. 洛氏硬度试验的优缺点
洛氏硬度试验避免了布氏硬度试验所存在的缺点。它的优点是：
1)因有硬质、软质两种压头，故适于各种不同硬质材料的检验，不存在压头变形问题；
2)压痕小，不伤工件表面；
3)操作迅速，立即得出数据，生产效率高，适用于大量生产中的成品检验。
缺点是：用不同硬度级测得的硬度值无法统一起来，无法进行比较。
1.7.4 维氏硬度
维氏硬度试验法开始于1925年。维氏硬度的测定原理和布氏硬度相同,也是根据单位压痕陷凹面积上承受的负荷，即应力值作为硬度值的计量指标。所不同的是维氏硬度采用锥面夹角为136°的四方角锥体，由金钢石制成。之所以采用四方角锥，是针对布氏硬度的负荷P和钢球直径D之间必须遵循P/D2为定值的这一制约关系的缺点而提出来的。采用了四方角锥，当负荷改变时压人角不变，因此负荷可以任意选择，这是维氏硬度试验最主要的特点，也是最大的优点。四方角锥之所以选取136°，是为了所测数据与HB值能得到最好的配合。因为一般布氏硬度试验时，压痕直径d多半在0.25D到0.5D之间，当

时，通过此压痕直径作钢球的切线，切线的夹角正好等于136°，如图1－22所示。所以通过维氏硬度试验所得到的硬度值和通过布氏硬度试验所得到的硬度值能完全相等，这是维氏硬度试验的第二个特点。
此外，采用四方角锥后，压痕为一具有清晰轮廓的正方形在测量压痕对角线长度d时误差小(参看图1－22)，这点比用布氏硬度测量圆形的压痕直径d要方便得多。还有，采用金钢石制压头可适用于试验任何硬质的材料。
和布氏、洛氏硬度试验比较起来，维氏硬度试验具有许多优点。它不存在布氏那种负荷P和压头直径D的规定条件的约束，以及压头变形问题；也不存在洛氏那种硬度值无法统一的问题。而它和洛氏一样可以试验任何软硬的材料，并且比洛氏能更好地测试极薄件(或薄层)的硬度，这点只有洛氏表面硬度级才能做到。但即使在这样的条件下，也只能在该洛氏级内进行比较，和其它硬度级统一不起来。此外洛氏由于是以压痕深度为计量指标，而压痕深度总比压痕宽度要小些，故其相对误差也越大些。因此，洛氏硬度数据不如布氏、维氏稳定，当然更不如维氏精确。
总的来说，维氏硬度试验具有另外两种试验的优点而摒弃了它们的缺点，此外还有它本身突出的特点——负荷大小可任意选择。唯一缺点是硬度值需通过测量对角线后才能计算(或查表)出来，因此生产效率没有洛氏高。
1.7.5 显微硬度
显微硬度所用的载荷很小，大致在100gf-500gf范围，所用的压头有两种：一种是维氏压头，和宏观的维氏硬度压头—样，只是在金刚石四方锥的制造上和测量上要更加严格；另一种是努氏压头(knoop indenter)，它是一菱形的金刚锥体，其形貌如图1－23所示。在纵向上锥体的顶角为 ，，横向上锥体的顶角为130°，压痕的长短对角线长度之比约7：1，压痕的深度约为其长度的1/30。努氏硬度按以下公式计算

总的来说，显微硬度是用来测量尺寸很小或很薄零件的硬度，或者是用来测量各种显 微组织的硬度。但是，努氏与维氏显微硬度比较，有些突出的优点，例如：
(1)在测量渗碳(或氮化)淬硬层的硬度分布时，努氏压痕的排列与分布较维氏更紧凑；
(2)在相同的对角线长度下(努氏压痕以长对角线计)，努氏压痕的深度与面积只有维氏压痕的15％，这对测量薄层硬度，例如电镀层特别适宜，而在测量脆性材料如玻璃，陶瓷的硬度时，在压痕周围不容易碎裂，因为断裂倾向是和受应力材料的体积成正比的，所以努氏硬度在—些特定的场合下使用时更方便。