硬度是指材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力，是衡量材料軟硬的判據(jù)，是一個(gè)綜合的物理量。
材料的硬度越高，耐磨性越好，故常將硬度值作為衡量材料耐磨性的重要指標(biāo)之一。
硬度的測(cè)定常用壓入法。把規(guī)定的壓頭壓入金屬材料表面層，然后根據(jù)壓痕的面積或深度確定其硬度值。根據(jù)壓頭和壓力不同，常用的硬度指標(biāo)有布氏硬度（HBS、HBW）、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC等）和維氏硬度（HV）。
一、洛氏硬度
1、試驗(yàn)原理
洛氏硬度是以頂角為120°的金剛石圓錐體或直徑為Φ1.588㎜的淬火鋼球作壓頭，以規(guī)定的試驗(yàn)力使其壓入試樣表面。試驗(yàn)時(shí)，先加初試驗(yàn)力，然后加主試驗(yàn)力。壓入試樣表面之后卸除主試驗(yàn)力，在保留初試驗(yàn)力的情況下，根據(jù)試樣表面壓痕深度，確定被測(cè)金屬材料的洛氏硬度值。
如圖所示，0－0為金剛石壓頭還沒(méi)有和試樣接觸的位置。1－1是在初試驗(yàn)力作用下壓頭所處的位置，壓入深度為h1，目的是為了消除由于試樣表面不光潔對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的**性造成的**影響。圖中2－2在總試驗(yàn)力（初試力＋主試驗(yàn)力）作用下壓頭所處位置，壓入深度為h2。3－3是卸除主試驗(yàn)力后壓頭所處的位置，由于金屬?gòu)椥宰冃蔚玫交謴?fù)，此時(shí)壓頭實(shí)際壓入深度為h3。故由于主試驗(yàn)力所引起的塑性變形而使壓頭壓入深度為h＝h3－h(huán)1。洛氏硬度值由h的大小確定，壓入深度h越大，硬度越低；反之，則硬度越高。一般說(shuō)來(lái)，按照人們習(xí)慣上的概念，數(shù)值越大，硬度越高。因此采用一個(gè)常數(shù)c減去h來(lái)表示硬度的高低。并用每0.002㎜的壓痕深度為一個(gè)硬度單位。由此獲得的硬度值稱為洛氏硬度值，用符號(hào)ＨＲ表示。
式中，c為常數(shù)（對(duì)于
HRC、HRA，c取0.2；對(duì)于HRB，c取0.26）。由此獲得的洛氏硬度值ＨＲ為一無(wú)名數(shù)，試驗(yàn)時(shí)一般由試驗(yàn)機(jī)指示器上直接讀出。
2、常用洛氏硬度標(biāo)尺及適用范圍
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標(biāo) 尺
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壓頭類型
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總試驗(yàn)力
kgf
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硬度值有效范圍
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應(yīng) 用
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HRA
HRB
HRC
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120°金剛石圓錐體
(1/16) ” (
Φ1.588㎜)鋼球
120°金剛石圓錐體
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600
1000
1500
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70－88
20－100
20－70
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硬質(zhì)合金、表面淬火層或滲碳層等
有色金屬、退火、正火鋼等
淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼等 |
上述洛氏硬度的三種標(biāo)尺中，以ＨＲＣ應(yīng)用*多，一般經(jīng)淬火處理的鋼或工具都采用ＨＲＣ測(cè)量。在中等硬度情況下，洛氏硬度ＨＲＣ與布氏硬度ＨＢＳ之間關(guān)系約為1：10，如40ＨＲＣ 相當(dāng)于400ＨＢＳ 。如50ＨＲＣ，表示用ＨＲＣ標(biāo)尺測(cè)定的洛氏硬度值為50。硬度值應(yīng)在???效測(cè)量范圍內(nèi)（ＨＲＣ為20－70）為有效。
3、試驗(yàn)優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)：①操作簡(jiǎn)單迅速，效率高，直接從指示器上可讀出硬度值；
②壓痕小，故可直接測(cè)量成品或較薄工件的硬度；
③對(duì)于ＨＲＡ和ＨＲＣ采用金剛石壓頭，可測(cè)量高硬度薄層和深層的材料。
缺點(diǎn)：由于壓痕小，測(cè)得的數(shù)值不夠準(zhǔn)確，通常要在試樣不同部位測(cè)定四次以上，取其平均值為該材料的硬度值。
二、布氏硬度
1、試驗(yàn)原理
用直徑為D的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球，以相應(yīng)的試驗(yàn)力F壓入試樣表面，保持規(guī)定的時(shí)間后卸除試驗(yàn)力，在試樣表面留下球形壓痕，如左圖所示。布氏硬度值用球面壓痕單位面積上所承受的平均壓力表示。用淬火鋼球作壓頭時(shí)，布氏硬度用符號(hào)“HBS”表示;用硬質(zhì)合金球作壓頭，布氏硬度用符號(hào)“HBW”表示。
HBS(HBW)：用鋼球（硬質(zhì)合金球）試驗(yàn)的布氏硬度值；
F：試驗(yàn)力（N）；
d：壓痕平均直徑（mm）； D：鋼球（硬質(zhì)合金球）直徑（mm）．
布氏硬度的單位為N/mm2，但習(xí)慣上只寫明硬度值而不標(biāo)出單位。
2、選擇試驗(yàn)規(guī)范
在進(jìn)行布氏硬度試驗(yàn)時(shí)，鋼球直徑Ｄ、施加的試驗(yàn)力Ｆ和試驗(yàn)力保持時(shí)間、應(yīng)根據(jù)被測(cè)試金屬的種類和試樣厚度，按下表所示的布氏硬度試驗(yàn)規(guī)范正確地進(jìn)行選擇。
布氏硬度試驗(yàn)規(guī)范
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材料
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布氏硬度
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0.102Ｆ/D 2
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備注
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鋼及鑄鐵
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＜ 140
＞ 140
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10
30
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Ｆ單位：?。?/font>
Ｄ單位： mm
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銅及其合金
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＜ 35
35－130
＞ 130
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5
10
30
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輕金屬及其合金
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＜ 35
35－80
＞ 80
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25
10
10
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鉛、錫
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1.25 |
由布氏硬度值的計(jì)算公式可以看出，當(dāng)所加試驗(yàn)力Ｆ與鋼球（或硬質(zhì)合金球）直徑Ｄ已選定時(shí)，硬度埴HBS（HBW）只與壓痕直徑d
有關(guān)。d 越大，則HBS（HBW）值越小，表明材料越軟；反之，d 越小，HBS（HBW）值越大，表明材料越硬。
除了采用鋼球（或硬質(zhì)合金球）直徑Ｄ為10ｍｍ，試驗(yàn)力Ｆ為3000ｋｇｆ（２９４２１Ｎ），保持時(shí)間10－15s的試驗(yàn)條件外，在其它試驗(yàn)條件下測(cè)得的硬度值，應(yīng)在符號(hào)HBS的后面用相應(yīng)的數(shù)字注明壓頭直徑、試驗(yàn)力大小和試驗(yàn)力保持時(shí)間。
如120HBS10/1000/30，即表示用10mm的鋼球作壓頭，在1000kgf(9807N)的試驗(yàn)力作用下，保持時(shí)間為30s后所測(cè)得的硬度值為120。如500HBＷ5/750，即表示用5mm的硬質(zhì)鋼球作壓頭，在750kgf(735N)的試驗(yàn)力作用下，保持時(shí)間為01－15s后所測(cè)得的硬度值為500。
淬火鋼球用于測(cè)定硬度HBS＜450的金屬材料，如灰鑄鐵、有色金屬以及退火、正火和調(diào)質(zhì)處理的鋼材等。為了避免壓頭變形，可用硬質(zhì)合金球壓頭，它適用于測(cè)試HBW＜650的金屬材料。（我國(guó)目前布氏硬度試驗(yàn)機(jī)壓頭主要是淬火鋼球。）
3、試驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)
布氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是：試驗(yàn)時(shí)使用的壓頭直徑較大，在試樣表面上留下壓痕也較大，測(cè)得的硬度值也較準(zhǔn)確。
布氏硬度試驗(yàn)的缺點(diǎn)是：對(duì)金屬表面的損傷較大，不易測(cè)試太薄工件的硬度，也不適于測(cè)定成品件的硬度。
布氏硬度試驗(yàn)常用來(lái)測(cè)定原材料、半成品及性能不均勻的材料（如鑄鐵）硬度。
三、維氏硬度
布氏硬度試驗(yàn)不適用于測(cè)定硬度較高的材料。
洛氏硬度試驗(yàn)雖然可用于測(cè)定較材料和硬材料，但其硬度值不能進(jìn)行比較。
維氏硬度試驗(yàn)可以測(cè)量從軟到硬的各種材料以及金屬零件的表面硬度，并有連續(xù)一致的硬度標(biāo)尺。
1、試驗(yàn)原理
維氏硬度試驗(yàn)原理與布氏硬度相似，也是根據(jù)壓痕單位表面積上的試驗(yàn)力大小來(lái)計(jì)算硬度值。區(qū)別在于壓頭采用錐面夾角為136°的金剛石正四棱錐體，將其以選定的試驗(yàn)力壓入試樣表面，按規(guī)定保持一定時(shí)間后卸除試驗(yàn)力，測(cè)量壓痕兩對(duì)角線長(zhǎng)度，如書上Ｐ９圖1－5所示。維氏硬度值用四棱錐壓痕單位面積上所承受的平均壓力表示，符號(hào)ＨＶ。
式中 Ｆ－作用在壓頭上的試驗(yàn)力（Ｎ）,d－壓痕兩對(duì)角線長(zhǎng)度的平均值（㎜）,ＨＶ值的單位為Ｎ /㎜ 2
，但習(xí)慣上只寫出硬度值而不標(biāo)出單位。
2、常用試驗(yàn)力及其適用范圍
維氏硬度試驗(yàn)所用試驗(yàn)力視其試件大小、薄厚及其它條件，可在49.03－980.7Ｎ的范圍內(nèi)選擇試驗(yàn)力。常用的試驗(yàn)胃有49.03、98.07、196.1、294.2、490.3、980.7Ｎ。ＨＶ符號(hào)前面的數(shù)字為硬度值，后面依次用相應(yīng)數(shù)字注明試驗(yàn)力和試驗(yàn)力保持時(shí)間（10－15s不標(biāo)注）。如６４０／ＨＶ３０／２０,表示30kgf
(294.2N) 試驗(yàn)力，保持時(shí)間為20s測(cè)得維氏硬度值為640。
維氏硬度法適用范圍寬，尤其適用于測(cè)定金屬鍍層、薄片金屬及化學(xué)熱處理后的表面硬度，其結(jié)果**可靠。當(dāng)試驗(yàn)力小于0.2
kgf?。?.961Ｎ）時(shí)，可用于測(cè)量金相組織中不同相的硬度。
3、試驗(yàn)優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)：①與布氏、洛氏硬度試驗(yàn)比較，維氏硬度試驗(yàn)不存在試驗(yàn)力與壓頭直徑有一定比例關(guān)系的約束；
②不存在壓頭變形問(wèn)題；
③壓痕輪廓清晰，采用對(duì)角線長(zhǎng)度計(jì)量，**可靠，硬度值誤差較小。
缺點(diǎn)：其硬度值需要先測(cè)量對(duì)角線長(zhǎng)度，然后經(jīng)計(jì)算或查表確定，故效率不如洛氏硬度試驗(yàn)高。
根據(jù)壓頭形狀、材料及加載大小的不同，硬度可有布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度和顯微硬度，它們適用于不同的材料。各種硬度的壓頭形狀、材料、載荷、運(yùn)用范圍等見(jiàn)下表。
