发布时间 : 星期五 文章钢的热处理及其对组织和性能的影响更新完毕开始阅读48ab457a0066f5335a8121cd
设压痕深度为h则压痕球面积为
F??Dh??D(D?D2?d22
试样硬度值为：
HB?PF?2P?D(D2?d2
式中 P——施加的载荷，kg或N；
D——压头（钢球）直径，mm； d——压痕直径，mm；
图3-4 布氏硬度计试验原理示意图 F——压痕面积，mm2。
布氏硬度值的大小就是压痕单位面积上所承受的
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压力。单位为kg/mm或N/mm，但一般不标出。硬度值越高，表示材料越硬。实验室只要测出压痕直径d（毫米）,通过计算或查表即可得出HB值。
由于金属材料又软又硬，工件有薄有厚，有大有小，为适应不同的情况，布氏硬度的钢球有φ2.5mm、φ5mm、φ10mm三种。载荷有15.6kg、62.5kg、187.5kg、250kg、750kg、1000kg、3000kg七种。当采用不同大小的载荷和不同直径的钢球进行布氏硬度试验时，只要能满足2
P/D为常数，则同一种材料测得的布氏硬度是相同的。而不同材料所测的布氏硬度值也可以
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进行比较。国家标准规定P/D的比值为30、10、2.5三种。在试样厚度和截面大小允许的情况下，尽可能选用直径大的钢球和大的载荷，这样更易于反映材料性能的真实性。另外，由于压痕大，测量的误差也小。所以，测定钢的硬度时，一般规定采用Φ10mm钢球、3000kg的载荷、保荷时间为10秒。试验后的压痕直径应在0.25D﹤d﹤0.6D的范围之内，否则试验结果无效。因为若d太小，则灵敏度和准确性将随之降低；若d太大，则压痕的几何形状不能保持相似的关系，影响试验结果的准确性。
布氏硬度的表示方法是：压头为钢球时用HBS,压头用硬质合金时用HBW。若用Φ10mm钢球，在3000kg载荷下保荷10s,测得布氏硬度值为400时，可以表示为400HBS，若用硬质合金球为压头，则表示为400HBW。
在其他试验条件下，符号HB应以相应的指数注明钢球直径、载荷大小及载荷保持时间。例如，100HB5/250/30即表示：用5mm直径钢球，在250kg载荷下保持30s时，所测得的布氏硬度为100。
布氏硬度试验方法和技术条件有相应的国家标准。表3-3为布氏硬度的试验规范。实际测定时，应根据金属材料种类、试样硬度范围和厚度的不同，按照标准试验规范，选择钢球直径、载荷及载荷保持时间。
表3 布氏硬度试验规程
布氏硬度范围/HB 140～450 试件厚度 /mm 6～3 4～2 ﹤2 ﹤140 ﹥6 6～3 ﹤3 P=10D2 载荷P与压头直径D的关系 P=30D2 钢球直径D /mm 10 5 2.5 10 5 2.5 载荷P /kg 3000 750 187.5 1000 250 62.5 10 载荷保持 时间/s 10 金属材料 黑色金属 有色金属 ＞130 6～3 4～2 ﹤2 P=30D2 10 5 2.5 3000 750 187.5 1000 250 62.5 250 62.5 15.6 30 36～130 9～6 6～3 ﹤3 P=10D2 10 5 2.5 30 8～35 ﹥6 6～3 ﹤3 P=2.5D2 10 5 2.5 30
2) 布氏硬度试验的优缺点：
优点：硬度值代表性全面，由于压痕面积较大，能反映较大范围内材料的平均性能。试验数据稳定，数据重复性强。布氏硬度值和抗拉强度间存在一定的换算关系（见表3-4）。其换算式为经验公式，知道硬度后可以粗略的估计其强度，但铸铁不能用此经验公式。
表4 HB与σb的关系
材料 钢 钢 铸铝合金 退火黄铜 冷加工后黄铜、青铜 硬度值HB 125~175 ＞175 — — — HB—σb近似换算式 σb≈3.36 HB (MPa) σb≈3.55 HB (MPa) σb≈2.55 HB (MPa) σb≈5.39 HB (MPa) σb≈3.92 HB (MPa)
缺点：采用的压头是淬火钢球，由于钢球本身的变形和硬度问题，致使不能测试太硬的材料。一般在450HB以上就不能使用。由于压痕较大，不适宜成品检验。
布氏硬度试验常用于测定铸铁、有色金属、低合金结构钢等的原材料以及结构钢调质后的硬度。
（2）洛氏硬度试验
洛氏硬度试验是目前应用最广的试验方法，和布氏硬度一样，也是一种压入硬度试验，但它不是测定压痕的面积，而是测量压痕的深度，以深度的大小表示材料的硬度值。 1) 原理
洛氏硬度试验的压头采用锥角为120o的金刚石圆锥头或直径为1.588毫米（1/16英寸）的钢球。载荷先后两次施加，先加预载荷P0，然后加主载荷P1，在总载荷的作用下，将压头压入金属材料表面来进行的硬度测定。其总载荷为P（P=P0+P1）。洛氏硬度试验试验原理如图3-12所示。
在图3-12中，0-0位置为金刚石压头没有和试样接触时的位置；1-1位置为压头与试样接触，并受到预载荷P0（规定为10kg）后压入试样的深度为h0的位置；2-2位置为压头受到主载荷P1后压头压入试样的深度为h1的位置；3-3位置为压头卸除主载荷P1后仍保留预载荷P0下时的位置，由于试样弹性变形的恢复，而使压头位置提高了h2。此时压头受主载荷作用实际压入试
样的深度为h（h＝h2﹣h1）。h值的大小可用来衡
量材料的软硬程度。金属越硬，压痕深度越小；图5 洛氏硬度计试验原理示意图 金
属越软，压痕深度越大。为了适应人们习惯上数值越大硬度越高的概念，人为的规定，用一常数K减去压痕深度h的值作为洛氏硬度的指标，并规定每0.002毫米为一个洛氏硬度单位。用符号HR表示，则洛氏硬度值为：
HR =（K－h）/0.002
此值为一无名数。并可从硬度计的表盘指示器上直接读出。
使用金刚石压头时，常数K为0.2毫米，黑色表盘刻度所示； 使用钢球压头时，常数K为0.26毫米，红色表盘刻度所示。
为了可以用一种硬度计测定出从软到硬的金属材料硬度，采用了不同的压头和总载荷，组合成几种不同的洛氏硬度标度，每一种标度用一个字母在硬度符号HR后加以注明，常用的是HRA、HRB、HRC三种。洛氏硬度试验规范见表3-4。
各种洛氏硬度值之间不能直接进行比较，但可通过实验测定的换算表（略）进行相对比较。
各种洛氏硬度之间，洛氏硬度和布氏硬度值间都有一定的换算关系。对于钢铁材料，大致有下列关系式：
HRC = 2HRA－104
HB = 10HRC （HRC = 40～60范围） HB = 2HRB
2) 洛氏硬度试验方法的优缺点：
优点：操作迅速简便，压痕较小，可在工件表面进行试验，可以各种金属材料的硬度，也可以测量较薄工件或表面薄层的硬度。
缺点：压痕较小，代表性差，由于材料中有偏析及组织不均匀等情况，使所测
硬度值的重复性差，分散度较大。
表5 洛氏硬度的试验规范
标度符号 HRA HRB HRC 压头类型 金刚石圆锥 钢球 金刚石圆锥 总载荷 /kg 60 100 150 表盘上刻度颜色 黑色 红色 黑色 常用硬度值范围 70～85 25～100 20～67 应用举例 碳化物、硬质合金、表面硬化工件等 软钢、退火或正火钢、铜合金等等 适用淬火钢、调质钢等 3) 洛氏硬度计的构造与操作
洛氏硬度计种类较多，外形构造也各不相同，但构造原理及主要部件均相同。图3-6为洛氏硬度计外形构造及机构示意图。
图6 洛氏硬度计外形及机构示意图 洛氏硬度计操作方法如下：
a) 按表3-4选择压头和载荷；
b) 根据试样大小和形状选用载物台；
c) 将试样上下两面磨平，然后置于载物台上；
d) 加预载荷，按顺时针方向转动升降机构的手轮，使试样与压头接触，并观察读数刻
度盘上小针移动至小红点为止； e) 调整刻度盘（图3-7），使表盘上的长针对
准硬度值的起点。如测定HRC、HRA硬度时，长针与表盘上黑字C处对准；测定HRB硬度时，长针与表盘上红字B处对准； f) 加主载荷，平稳地扳动加载手轮，手柄自
动升高至停止位置（时间为5～7秒）并停留10秒（保荷时间）；
g) 卸主载荷，扳回加载手柄至原来位置；
h) 读取硬度值，读数表盘上长针指示的数字
图7 洛氏硬度计刻度盘 为硬度的读数，HRC、HRA读黑色数字，HRB读红色数字；
i) 降下载物台，当试样完全离开压头后，方可取下试样；
j) 用同样的方法在试样的不同位置测定三个数据,取其算术平均值为所测试样的硬
度。
（3）维氏硬度试验 1) 原理
维氏硬度的测定原理基本上和布氏硬度相同，也是根据压痕单位面积上的载荷计量硬度值。维氏硬度试验原理图3-15所示。 所不同的是维氏硬度试验采用的压头为金刚石的