第三章材料的硬度
硬度是衡量材料軟硬程度的一種效能指標。硬度值的大小不僅取決於材料的成份和顯微組織，而且取決於測量方法和條件。測定硬度的方法很多，主要有壓入法、回跳法和刻劃法三大類。
用不同的方法測定的硬度具有不同的意義，例如壓入法硬度值表徵金屬塑性變形抗力及應變硬化能力；回跳法硬度值主要表徵金屬彈性變形功的大小；劃痕法硬度值主要表徵金屬切斷強度。目前還沒有統一而確切的關於硬度的物理學定義。一般指金屬表面抵抗區域性壓入變形或刻劃破裂的能力。
硬度試驗一般僅在金屬表面區域性產生很小的痕跡，因而很多機件表面可在成品上試驗而無需專門加工試樣；因其裝置簡單，操作方便、迅速，同時又能敏感地反映出金屬材料的化學成份和組織結構的差異，因而廣泛用於檢查金屬材料的效能、熱加工工藝的質量或研究金屬組織結構的變化，也用於檢查金屬表面層的質量（如脫碳）、表面淬火和化學熱處理後的表面效能等。
在機械製造行業中，主要採用壓入法（其中又包括布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度和顯微硬度多種，本章將做重點介紹。
壓入硬度試驗方法的應力狀態軟性係數α>2.0，幾乎所有的金屬材料在這種應力狀態下都能產生塑性變形。因此，這種試驗方法不僅可以測定塑性金屬材料的硬度，也可測定淬火鋼、硬質合金甚至陶瓷等脆性材料的硬度。
§3.1 布氏硬度
一、測試原理和方法
1. 試驗原理
用一定的壓力將淬火鋼球或硬質合金球壓頭壓入試樣表面，保持規定的時間後卸除壓力，在試樣表面留下壓痕，單位壓痕表面積（a）所承受的平均壓力定義為布氏硬度值。
原標準壓球可用硬質合金球（標為hbw），也可用淬火鋼球（標為hbs），現標準規定只用硬質合金球，統一為hbw，同時載荷p單位統一為牛頓（n），則：
2. 試驗規範
材料不同、厚度不同，則測時需要選用不同直徑的壓頭和壓力，為了具有不同試驗條件下的試驗結果具有可比性，則要求同一材料，不同壓力、不同壓頭直徑的壓痕具有幾何相似性：
則要求：
同時要求d控制在（0.24～0.6）d之間，以保證得到有效的硬度值。
d有10mm，5mm、2.5mm和1mm四種，根據試樣厚度選擇，h<δ/10，一般，盡量選用大直徑（10mm）。
①d易測，試驗資料穩定，重複性好；
②硬度值可以反映金屬在較大範圍內各組成相的平均效能，不受個別組成相及微小不均勻性的影響
0.102p/d2可選30、15、10、5、2.5、1.25和1七種，其中30、15、2.5三種最為常用。
試驗力保持時間為10~15s（鋼鐵材料），有色金屬可以延長30s，軟金屬可為60s。
布氏硬度表示方法：
硬度值hbw球直徑/試驗力/力保持時間（10～15s不標）
如：600hbw1/30/20
二、特點及適用範圍
壓頭直徑大，壓力大，壓痕面積大、反映較大範圍內材料的平均效能，不受個別相和微區不均勻性的影響；試驗結果分散性小，適合測定像灰鑄鐵或軸承合金這樣具有粗大晶粒或粗大組成相的材料的硬度測試；
壓痕大，成品檢驗有困難，薄壁件和表面硬化層亦不適合；對於硬度太高的（>450hbw），因為會壓壞壓頭，宜採用洛氏硬度測試方法；
測量d需要一定的時間，影響效率，不適合自動檢測。
§3.2 洛氏硬度
一、測試原理和方法
1. 試驗原理
洛氏硬度試驗以測量壓痕深度表示材料的硬度值
洛氏硬度試驗所用的壓頭有兩種：
①圓錐角α＝120的金剛石圓錐體；
②一定直徑的淬火鋼球或硬質合金球（以s、w區分之）（ф1.588mm，1/16 in）
試驗中先加初始試驗力p0（以保證壓頭和試樣表面接觸良好），在試樣表面得一壓痕，深度為h0，此時，指標歸零。然後加主試驗力p1，壓頭壓入深度h1。表盤指標以逆時針方向轉動到相應刻度位置（其中的總變形h1包含彈性變形和塑性變形）。
當將解除安裝後，總變形h1中的彈性變形恢復，壓頭回公升一段距離（h1－h）。這時試樣表面殘留的塑性變形深度h即為壓痕深度，而指標順時針方向轉動停止時所指的數值即為洛氏硬度值。
洛氏硬度值以壓痕深度h來計算（h越大，硬度值越低，反之亦然），並規定每0.002mm為乙個洛氏硬度單位，則：
其中k為常數，金剛石圓錐形壓頭k＝0.2mm，球壓頭，k＝0.26mm。
（實際試驗中表盤上即為硬度值）
2. 試驗規範
根據實際測試的試件的厚薄、軟硬情況，可採用不同的壓頭和試驗力，從而構成不同的洛氏硬度標尺（a~g，h，k，共九個用hra~hrk標識之，常用前三個，尤其是hrc）（具體見下頁表）
測定極薄的工件或表面硬化層，新標準增添兩個字母n，t，六個標尺，用以標識表面洛氏硬度。（硬度值＋hr＋總試驗力＋標尺編號），分母不是0.002mm，而是0.001mm。
洛氏硬度測試時，試件表面應為平面，當在圓柱面和球面上測試時，測試值比真實值偏小，應加以修正：
（圓柱面直徑d）
（球面直徑d）
二、特點及應用
1. 優點
硬度值可從表盤直接讀取，簡便迅速，工效高；
對試件表面損傷小，可用於成品和表面質量；
因有預載荷，因此對表面輕微不平度不敏感
2. 缺點
標尺人為定義，不同標尺結果無法相互比較；
（另一角度：不同的材料可選用不同的標尺）
壓痕小，對組織及效能不均勻比較敏感，測試結果分散，重複性差，不適合於粗大不均勻組織的材料。
§3.3 維氏硬度
一、測試原理和方法
維氏硬度的試驗原理與布氏硬度相同，也是根據壓痕單位面積所承受的試驗力計算硬度值，所不同的維氏硬度試驗所用的壓頭為兩相對面夾角α為136的金剛石四稜錐體。壓頭在試驗力f（n）作用下將試樣表面壓出乙個四方錐形的壓痕，經一定保持時間後卸除試驗力，測量壓痕對角線的平均長度d＝（d1＋d2）/2，用以計算壓痕表面積a
（mm2）。維氏硬度值（hv）為試驗力f除以壓痕表面積a所得的商，即：
（p單位：kgf）
（p單位：n）
（維氏硬度試驗之所以採用正四稜錐壓頭，是為了改變試驗力時，壓痕的幾何形狀總保持相似，而不致影響硬度值；同時，壓痕為一輪廓清晰的正方形，d容易測量；d=(0.25d+0.50d)/2=0.
375d,切線夾角為136°，布、維硬度相當）
維氏硬度試驗時，所加的載荷為5kgf（49.03n）～100kgf（980.7n）六種。
當載荷一定時，可根據d之值，算出維氏硬度表，試驗時只需測量壓痕兩對角長度的平均值，查表即可獲得對應的維氏硬度值。
維氏硬度表示方法和布氏硬度類似，即：
硬度值＋hv＋所加載荷（kgf）＋/＋保持時間（10～15s不標）；例如：640hv30/20
（載荷的選擇：
對於薄片材料和表面硬化層，應使硬化層或試件的厚度為1.5d；
大厚度用大載荷，減小對角線測量誤差和試件表面層的影響；
若不知厚度，則從小到大試，直至相鄰載荷得到同樣結果；
若已知厚度和預期硬度，可查表；
對於》500hv的材料，不能使p>50kgf，以免損壞壓頭；）
二、特點及應用
各種載荷得到的壓痕幾何相似，則各種載荷條件下的硬度值相同；不受布氏硬度試驗時要求試驗力p和壓頭直徑d之間所規定的條件的約束；也不存在洛氏硬度試驗時不同標尺硬度值無法統一的弊端；
對角線長度易測，因此精度高於布氏硬度；
測量範圍寬，軟硬材料均可（因採用金剛石壓頭）；
<450hv時，與布氏硬度值大體相當；
需要測量＋查表，效率低於洛氏硬度
§3.4 顯微硬度
前述硬度測試方法，載荷大，壓痕大，只能測平均值，無法測出極小範圍內（比如某個晶粒、某個相或夾雜物的硬度，或著研究擴散層、偏析相，硬化層深度以及極薄板等），或者脆性材料（陶瓷）的硬度（因其大載荷下易碎），這些均需要顯微硬度試驗手段。
p<1.9614n（0.2kgf），分為顯微維氏和顯微努氏硬度
一、顯微維氏硬度
方法同上，但小載荷下可能失去幾何相似原理，因此必須標出所用載荷。
例：340hv0.1
二、顯微努氏硬度
類似於顯微維氏硬度試驗方法，區別有二：
壓頭形狀不同（金剛石長稜形壓頭）
計算方法不同
努氏顯微硬度是單位壓痕投影面積所受的載荷，即：
（p的單位為n，若為kgf，則無0.102）
一般p＝1～50n（取0.4903~19.61n（0.05~2kgf））
特點及應用
努氏硬度測試方法由於壓痕細小，而且只測量對角線的長度，因此精確度較高，對於表面淬硬層或滲層、鍍層等薄層區域的硬度以及滲層截面上硬度分布的測定比較方便；另外適合於絲、帶材或硬而脆的材料（陶瓷、玻璃）。
§3.5 肖氏硬度
一、測試方法
屬於回跳法（回跳硬度）。將一定重量的金剛石圓頭或鋼球的標準衝頭從一定高度h0自由下落到試件表面，然後試件的彈性變形使其回跳到某一高度h，用這兩個高度的比值來定義肖氏硬度值：
其中，k為肖氏硬度係數。（c：104/65；d：140）
（衝頭從一定高度落下，以一定的能量衝擊試樣表面，使其產生彈性變形和塑性變形，能量一部分消耗於塑性變形，一部分以彈性變形功儲存於試件，但彈性變形恢復時，能量釋放，使衝頭回跳到一定的高度。消耗於塑性變形功越少（硬度越大），彈性變形功越多，回跳越高。另外，肖氏硬度值與材料的彈性模量相關，不同的彈性模量的材料，其結果不可比）
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