任务2　认识力学性能指标——硬度

【任务描述】

对所采购的优质碳素结构钢20钢取样并进行硬度试验，评定其硬度指标是否满足要求？

【知识链接】

知识点一　硬度

①硬度是衡量材料软硬程度的判据，它表征材料抵抗局部变形，尤其是塑性变形、压痕或划痕的能力。它是金属材料的重要性能指标之一。

②材料的硬度是通过试验测得，测定硬度的试验方法很多，大体上可分为弹性回跳法（肖氏硬度）、压入法（布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度）和刻痕法（莫氏法）等三大类，而生产上应用最广泛的是压入法。

③一般硬度越高，耐磨性越好。

知识点二　硬度试验方法

目前，生产中常用的硬度试验方法是布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度试验法。

1.布氏硬度

1900年，瑞典工程师J.B.Brinell提出了一种用钢球压人试样来测定材料硬度的方法，这就是布氏硬度，其基本原理是通过加载将淬火钢球压头或硬质合金球压头压入被测金属材料表面，保持规定时间后卸除试验力，在被测金属材料表面得到一直径为d的压痕，单位压痕面积（A压）上所承受的载荷（F）大小为布氏硬度值。淬火钢球为压头时，符号为HBS；硬质合金球为压头时，符号为HBW（见图1－8）。

图1－8　布氏硬度原理示意图

HBS（HBW）==0.102×kgf/mm²（试验力F的单位为N）

式中：A_压——压痕表面积，mm²；

　　　d、D、h——压痕平均直径、压头直径、压痕深度，mm。

上式中只有d是变数，只要测出d值，即可通过计算或查表得到相应的硬度值。一般，布氏硬度值不需计算，只需根据测出的压痕直径查表即可得到。d值越大，硬度值越小；d值越小，硬度值越大。

为保证测试同一试样的布氏硬度值有效且相同，必须保证试样厚度至少为压痕深度的8倍，试验力－压头球直径平方的比率0.102F/D²为常数，因此布氏硬度试验时，应根据被测金属材料的种类和试样厚度，选用不同直径的压头和试验力，见表1－3。根据国标GB/T231—2002《金属布氏硬度试验》规定，压头直径有4种规格（10mm、5mm、2.5mm和1mm），0.102F/D²的比值有5种规格（30、10、5、2.5和1）。

表1－3　按材料和布氏硬度范围选择0.102F/D²

布氏硬度表示方法为在硬度符号HBW或HBS前写出硬度值，符号后面依次用相应数字注明压头直径、试验力和保持时间（10～15s）不标注，其中，压头直径和试验力之间用斜杠“/”隔开。例如，120HBW10/1000/30表示用直径10mm的硬质合金球压头、试验力为1000kgf（9.807kN）、试验力保持30s所测得的布氏硬度值为120。布氏硬度一般不标注单位。

布氏硬度试验法测得的硬度值较准确、稳定，因压痕面积较大，能反映出较大范围内材料的平均硬度；布氏硬度与抗拉强度有近似的正比关系：σ_b=K·HBW。但布氏硬度试验法操作不够简便，不宜测试薄件或成品件。HBS适用测量硬度值小于450的材料，HBW适用测量硬度值小于650的材料。目前，布氏硬度试验法主要用来测定铸铁、有色金属及退火、正火和调质的钢材等。

2.洛氏硬度

洛氏硬度是机械工程应用最广泛的硬度试验法，与布氏硬度不同，它不是测量压痕的直径，而是直接测量压痕的深度，表示材料或机械零件的硬度，压痕愈浅表示材料或工件愈硬。

图1－9　洛氏硬度原理示意图(www.daowen.com)

洛氏硬度试验原理如图1－9。它是用顶角为120°金刚石圆锥体或直径为1.588mm淬火钢球做压头，在初试验力和总试验力（初试验力+主试验力）先后作用下，将压头压入试件表面，经规定保持时间后，去除主试验力，用测量的残余压痕深度增量（增量是指去除主试验力并保持初试验力的条件下，在测量的深度方向上产生的塑性变形量）来计算硬度的一种压痕硬度试验法。图中0－0为压头与试件表面未接触的位置；1－1为加初试验力10kgf（98.07N）后，压头经试件表面a压入到b处的位置，b处是测量压入深度的起点（可防止因试件表面不平引起的误差）；2－2为初试验力和主试验力共同作用下，压头压入到c处的位置；3－3为卸除主试验力，但保持初试验力的条件下，因试件弹性变形的恢复使压头回升到d处的位置。因此，压头在主试验力作用下，实际压入试件产生塑性变形的压痕深度为bd（bd为残余压痕深度增量）。用bd大小来判断材料的硬度，bd越大，硬度越低；反之，硬度越高。为适应习惯上数值越大，硬度越高的概念，故用一常数K减去bd作为硬度值（每0.002mm的压痕深度为一个硬度单位），直接由硬度计表盘上读出。洛氏硬度符号HR表示。

金刚石做压头，K为100；淬火钢球做压头，K为130。

为了满足同一硬度计能测试不同硬度范围的材料，可采用不同的压头和试验力。按压头和试验力不同，GB/T230—91规定洛氏硬度的标尺有九种，但常用的是HRA、HRB、HRC三种，其中HRC应用最广泛。洛氏硬度的试验条件和应用范围见表1－4。洛氏硬度的表示方法为：在硬度符号前面写出硬度值，如58HRC、80HRA等。

洛氏硬度试验操作简便迅速，硬度值可从硬度计的表盘上直接读出；试件表面造成的损伤较小，可用于成品零件的硬度检验。但由于压痕小，所以洛氏硬度对材料组织不均匀性很敏感，测试结果比较分散，重复性差。不同标尺的洛氏硬度值无法相互比较。

表1－4　常用洛氏硬度的试验条件和应用范围

图1－10　维氏硬度试验原理示意图

3.维氏硬度

维氏硬度试验的基本原理与布氏硬度试验相同，都是根据压痕单位面积上所受的平均试验力（载荷）得出硬度值，不同的是维氏硬度的压头是两相对面夹角为136°的正四棱锥体金刚石，如图1－10所示。

维氏硬度试验设备是维氏硬度计。试验时，根据试样大小、厚薄选用5kg·f～120kg·f（49.05N～1177.2N）试验力将压头压入试样表面（试样表面粗糙度≤0.2μm），保持一定时间后去除试验力，用附在维氏硬度计上的测微计测量压痕对角线长度d₁和d₂，求其平均值，然后通过查表（GB4340—1991附表）得出或根据下式计算维氏硬度值：维氏硬度符号HV表示。

式中：A——压痕的面积，mm²；

　　　d——压痕对角线长度d₁和d₂的算术平均值，mm；

　　　F——试验力，N。

根据国家标准（GB4340—1991）规定，维氏硬度的表示方法为在维氏硬度符号HV前面写出硬度值，HV后面依次用相应数字注明试验力和保持时间（10～15s不标）。例如640HV30/20，表示在30×9.8N试验力作用下，保持20s测得的维氏硬度值为640。

维氏硬度试验法的压痕深度浅，轮廓清晰，对角线测量准确，重复性好，测量范围宽广，可以测量目前工业上所用到的几乎全部金属材料，从很软的材料（几个维氏硬度单位）到很硬的材料（3000个维氏硬度单位）都可测量。维氏硬度试验最大的优点在于其硬度值与试验力的大小无关，只要是硬度均匀的材料，可以任意选择试验力，其硬度值不变。这就相当于在一个很宽广的硬度范围内具有一个统一的标尺。这一点优越于洛氏硬度试验。但维氏硬度试验效率低，要求较高的试验技术，对于试样表面的光洁度要求较高，通常需要制作专门的试样，操作麻烦费时，通常只在实验室中使用。

维氏硬度试验主要用于材料研究和科学试验方面小负荷维氏硬度试验；适用于测试小型精密零件的硬度，表面硬化层硬度和有效硬化层深度，镀层的表面硬度，薄片材料和细线材的硬度，刀刃附近的硬度等。

【任务实施】

①对采购的优质碳素结构钢20钢取样进行布氏硬度测定。

②检查、清理和磨制被测试样的表面，使其达到布氏硬度测定时所要求的表面状态。

③在布氏硬度计上进行布氏硬度试验。压头直径为10mm，试验力3000kgf，保持时间15s。

④在读数显微镜下，测量压痕直径（测三次，取平均值）为4.91。

⑤查表可知，硬度值为148。

【任务结论】

这批优质碳素结构钢20钢的硬度满足GB/T699—1999《优质碳素结构钢》要求。