材料硬度

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材料硬度在材料科学中指「固体材料抗拒永久形变的特性」，是一种重要力学性能。固体对外界物体入侵的局部抵抗能力，是比较各种材料软硬的指标。在实际应用中，由于测量方法不同，所以有不同的硬度标准，测得的硬度所代表的材料性能也各异。例如金属材料测得的压入硬度反映材料抵抗塑性形变的能力，而陶瓷、矿物材料使用的压痕硬度却反映材料抵抗破坏的能力。所以，各种硬度标准的力学含义不同，单位也不同，彼此间没有固定的换算关系，但可通过试验加以对比。^[1]

维氏硬度、洛氏硬度、里氏硬度（英语：Leeb rebound hardness test）与布氏硬度比较。
${\displaystyle HB\approx 0{.}95HV}$
${\displaystyle HRC\approx 116-{\frac {1500}{\sqrt {HV}}}}$
${\displaystyle HRB\approx 176-{\frac {1165}{\sqrt {HB}}}}$

硬度试验是机械性能试验中最简单易行的一种试验方法。为了能用硬度试验代替某些机械性能试验，生产上需要一个比较准确的硬度和强度的换算关系。大部分金属的硬度与其强度有关。例如低碳钢的强度约等于0.36布氏硬度，灰铸铁的强度约等于0.1布氏硬度^[2]。

刻划硬度

 

维也纳的莫氏硬度纪念牌

主条目：刻划硬度和莫氏硬度

刻划硬度（Scratch hardness）在矿物学里一般指物质刺入另外一种较软物质的能力。早在1822年，德国矿物学家腓特烈·摩斯（德語：Friedrich Mohs）提出用10种矿物作為礦物的硬度標準，这是所谓的摩氏硬度计。一般莫氏硬度分10级，后来因为出现了一些人工合成的硬度大的材料，1933年里奇韦（Ridgway）在莫氏硬度的基础上将标度扩大为15级。莫氏硬度标度上的硬度增量非常任意，不是线性或成比例的。因此，该试验主要用于测定矿物的相对硬度，而不用于其他材料，如金属。^[3]

莫氏（Mohs）、里奇韦（Ridgway）和努氏（Knoop）硬度对比^[4]

矿物	滑石	石膏	方解石	萤石	磷灰石	正长石	SiO2玻璃	石英	黄玉	石榴石	立方氧化锆	刚玉	碳化硅	碳化硼	金刚石
莫氏标度	1	2	3	4	5	6	6.5	7	8	?	8.5	9	9.15	9.32	10
里奇韦标度	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
努氏硬度（HK）	-	32	135	163	430	560	-	820	1340	1360	-	2100	2480	2750	7000

“铅笔硬度”是在涂膜工业中用以表述涂层表面抵抗刮擦，擦伤或气刨的能力。GB/T 6739-2006、ISO 15184:1998、ASTM D3363和JIS K-5600-5-4中规定了用铅笔法测定漆膜硬度的具体要求。硬度值记录为不会刮擦或擦伤涂层表面的最硬的铅笔^[5]。一套艺术铅笔的变化范围是从非常硬的浅色铅笔到非常软的深色铅笔，通常从最硬到最软的范围可以表示如下：

10H

9H

8H

7H

6H

5H

4H

3H

2H

H

F

HB

B

2B

3B

4B

5B

6B

7B

8B

9B

10B

硬

→

中等

→

軟

但是，铅笔笔芯硬度并无统一标准^[6]，不同厂家生产的同一标度的铅笔，硬度可能不一样，例如欧洲生产的HB铅笔比美国的HB软，比日本的HB硬^[7]。中华人民和国铅笔标准对HB铅芯的硬度要求为176-225 HK^[8]。对于对比试验，GB/T 6739-2006建议使用同一生产厂的、同一批次的铅笔，在750g的负载下以45°角向下压在漆膜表面上。以没有使涂层出现3mm及以上划痕的最硬的铅笔的硬度表示涂层的铅笔硬度^[9]。9H对应的努氏硬度约为578-647HK，对应莫氏硬度在6-7之间。

压入硬度

主条目：压入硬度

压入硬度（Indentation hardness）指材料局部抵抗硬物压入其表面的能力。静压入硬度试验是最常用的硬度测量方法，原理都是在静压下将一硬的物体压入被测物体表面，以表面压入凹面单位面积上的载荷表示被测物体的硬度。按试验力大小分宏观硬度（>1 kg）、显微硬度（2 g－0.5 kg）和纳米硬度（<1 g）。^[10]

布氏硬度

 

布氏硬度试验法的缩略图。
d = (d₁ + d₂) / 2

布氏硬度（HB）以瑞典工程师Brinell（英语：Johan August Brinell）命名。布氏硬度试验（GB/T 231.1-2002）是用一定直径（10 mm, 5 mm, 2.5 mm, 1 mm）的淬火钢球或硬质合金球作压头，以规定的试验力下压入金属表面，保持一定时间（10－15 s）后卸载，用专用的刻度放大镜测量表面的压痕直径，按下列公式计算硬度值^[11]：

${\displaystyle \operatorname {HBW} =0.102{\frac {2F}{\pi D\left(D-{\sqrt {D^{2}-d^{2}}}\right)}}}$ 

式中，F为试验力[N]，D为球直径[mm]，d为压痕平均直径[mm]。用钢球压头时，硬度值的标记符号为HBS，适用于硬度小于450HBS的材料；用硬质合金压头时，用HBW表示，适用于硬度450－650HBW的材料^[12]。

布氏硬度试验比其他试验方法慢，并在试样上留下较大的永久压痕，能在较大范围内反映材料的平均硬度，测得的硬度值较准确，数据重复性好。不宜测定太硬、太小、太薄和表面不允许有较大压痕的工件。

布氏硬度值HBS与抗拉强度${\displaystyle \sigma _{b}}$ 值在一定条件下存在着近似关系。对于钢，当硬度值大于175时，${\displaystyle \sigma _{b}}$ ≈3.62×硬度值；当硬度值小于175时，${\displaystyle \sigma _{b}}$ ≈3.45×硬度值；对于灰铸铁，${\displaystyle \sigma _{b}}$ ≈5/3×(硬度值-40)。^[13]

 

洛氏硬度HRB测试原理（钢球压头）

洛氏硬度

洛氏硬度（HR）以Rockwell命名。洛氏硬度试验（GB/T 230.1-2004）以顶角为120°的金刚石圆锥或硬质合金球或淬火钢球作压头，压入金属表面，先后两次施加试验力，使用差分深度测量硬度。根据所用的压头及试验力的不同组合区分了15种洛氏硬度标尺（英語：Rockwell scale）（A、B、C、D、E、F、G、H、K、L、M、P、R、S、V）。硬度标尺A、C、D使用120°金刚石锥，硬度计算公式为：

${\displaystyle \mathrm {HR} =100-{\frac {t}{0{.}002\,\mathrm {mm} }}}$ 

式中，t为去除主试验力后，在初始试验力下的残余压痕深度增量[mm]。标尺N和T表示表面洛氏硬度，其试验载荷较小，通常用于测量小尺寸、薄试样以及表面热处理和具有表面镀层的零件。^[14]

洛氏硬度与布氏硬度相比，缺点是其数据重复性差、硬度值的准确性较差。因此，一般至少要选取不同位置的3点测出硬度值，再计算平均值作为被测材料的硬度值。洛氏硬度优点是压痕小，对试样表面损伤小，试验操作简单，可以直接从试验机上显示出硬度值，可直接检验从很软到很硬（甚至很薄）金属材料的硬度。

维氏硬度

 

左为压痕在材料表面的投影，l₁和l₂为压痕对角线长；右为金刚石压头，其相对面夹角为136°。

维氏硬度（HV）以英国Vickers公司命名。维氏硬度试验（GB/T 4340.1-1999）使用136°正四棱锥形的金刚石压头，有最大的定义范围。根据试验力的大小，维氏硬度分为常规维氏硬度（5－100）、小载荷维氏硬度（0.2－3）和显微维氏硬度（0.01－0.1）。维氏硬度值的计算公式为：

${\displaystyle {\mbox{HV}}\cong 0.1891\cdot {\frac {F}{d^{2}}}\quad [{\textrm {N/mm}}^{2}]}$ 

式中，F 为负荷[N]，d 为平均压痕对角线长度[mm]。

维氏硬度试验时对试件表面质量要求较高，测试方法较繁，成本较高，但因所加的试验力较小，压入深度较潜，故可测量较薄或表面硬度值较大的材料。在测量从很软到很硬的各种金属材料时，连续性好、准确性高。^[13]

测量仪

• 超声波硬度计是利用超声波声阻抗法（德语：Ultrasonic Contact Impedance）（UCI）施加静载得到压痕，用装有维氏压头的谐振杆的谐振频率增量来确定压头与试样的接触面积。利用频率变化量计算硬度，避免了因压痕边缘不清晰而带来的测量误差。^[15]

努氏硬度

 

努氏硬度测试压头的角度

努氏硬度 (HK) 或称微硬度以美国人Knoop命名^[16]。努普显微硬度试验（GB/T 18449.1-2001）方法与维氏硬度试验相似，但采用金刚石长菱形压头，两长棱夹角172.5°，两短棱夹角130°，卸除试验力后测量试样表面压痕长对角线长度d。努氏主对角线约为维氏对角线的三倍，用来测试小面积物质，使其更适合测试陶瓷等脆性材料^[17]。努氏硬度按下式计算：

${\displaystyle HK=1{.}451\,{\frac {F}{d^{2}}}}$ 

 

别尔阔维契压头（三角形锥体）

纳米硬度

主条目：纳米压痕技术

纳米硬度测量使用µN－mN量级的载荷，通常使用别尔阔维契压头（英语：Berkovich tip），棱面与锥体中心线之间的夹角为65.03°。硬度值是负荷与压痕投影面积的比，计算公式为：

${\displaystyle H_{IT}={\frac {F}{23.96h^{2}}}}$ 

式中，F为所施加的试验力[N]，h为压痕深度[mm]。

其他

• 杨卡硬度（英语：Janka hardness test）以奥地利出生的美国研究员Gabriel Janka命名，用以描述木材的硬度。常用标准为ASTM D1037。^[18]
• 迈氏硬度（英语：Meyer hardness test）以Eugene Meyer命名。${\displaystyle H={\frac {P_{\text{max}}}{A_{\text{p}}}}}$  其中，${\displaystyle P_{\text{max}}}$ 为最大负载，${\displaystyle A_{\text{p}}}$ 是压痕的投影面积。

 

邵氏硬度测试：A型针尖直径为0.79 mm，D型针尖半径为0.1 mm。

• 邵氏硬度（英语：Shore hardness）（HS）以美国人Albert Shore（英语：Albert Ferdinand Shore）命名，用于聚合体强度，它的单位是“度”。根据压痕器的类型不同可分A、C、D三类。A型用于测量橡胶和软塑，D型可以测量硬塑，C型测针是一个直径5 mm的圆球，用来测量泡沫、海绵。用邵氏硬度计（英语：Shore durometer）插入被测材料，表盘上的指针通过弹簧与一个刺针相连，用针刺入被测物表面，表盘上所显示的数值即为硬度值。相关标准有DIN EN ISO 868、DIN ISO 7619-1和ASTM D2240-00。
• 巴氏硬度（英语：Barcol hardness test）（HBa），以特定压头在标准弹簧的压力作用下压入试样表面，以压痕的深浅表征试样硬度的高低。${\displaystyle \mathrm {HBa} =100-{\frac {h}{0{.}0076}}}$ ，h为压痕深度。巴氏硬度用于铝合金^[19]或玻璃钢^[20]等合成材料^[21]，范围从0到100。
• 韦氏硬度（HW）以Webster命名。GB/T 32660-2016和YS/T 420-2000中规定了韦氏硬度试验的要求^[22]，用于3003-O到7075-T6铝合金类产品韦氏硬度值测量，测量值的范围相当于洛氏硬度25-110 HRE。^[23]

硬度换算表^[註 1]^[24]
拉伸强度	布氏硬度 10mm压头	洛氏硬度			维氏硬度 F≥98N
MPa	HB	HRC	HRA	HRB	HV
—	—	68	86	—	940
—	—	67	85	—	920
—	—	66	85	—	880
—	—	65	84	—	840
—	—	64	83	—	800
—	—	63	83	—	760
—	—	62	83	—	740
—	—	61	82	—	720
—	—	60	81	—	690
—	—	59	81	—	670
2180	618	58	80	—	650
2105	599	57	80	—	630
2030	580	56	79	—	610
1955	561	55	78	—	590
1880	542	54	78	—	570
1850	532	53	77	—	560
1810	523	52	77	—	550
1740	504	51	76	—	530
1665	485	50	76	—	510
1635	473	49	76	—	500
1595	466	48	75	—	490
1540	451	47	75	—	485
1485	437	46	74	—	460
1420	418	45	73	—	440
1350	399	43	72	—	420
1290	380	41	71	—	400
1250	370	40	71	—	390
1220	376	39	70	—	380
1155	342	37	69	—	360
1095	323	34	68	—	340
1030	304	32	66	—	320
965	276	30	65	—	300
930	276	29	65	105	290
900	266	27	64	104	280
865	257	26	63	102	270
835	247	24	62	101	260
800	238	22	62	100	250
770	228	20	61	98	240
740	219	—	—	97	230
705	209	—	—	95	220
675	199	—	—	94	210
640	190	—	—	92	200
610	181	—	—	90	190
575	171	—	—	87	180
545	162	—	—	85	170
510	152	—	—	82	160
480	143	—	—	79	150
450	133	—	—	75	140
415	124	—	—	71	130
385	114	—	—	67	120
350	105	—	—	62	110
320	95	—	—	56	100
285	86	—	—	48	90
255	76	—	—	—	80

回弹硬度

回弹硬度（Rebound hardness）也称动态硬度（dynamic hardness）或绝对硬度，是使一个具有标准质量和尺寸的物体由试验表面弹回，取回跳高度作为硬度标准^[25]。

里氏硬度（英语：Leeb rebound hardness test）以Dietmar Leeb命名。里氏回弹硬度测试（LRHT）是测试金属硬度的四种最常用方法之一。根据冲击装置不同，硬度单位有HLD、HLG等多种。详细测试方法，请参阅标准DIN 50156、ASTM A956、ISO/DIS 16859《金属材料 里氏硬度试验》。

${\displaystyle HL={\frac {v_{R}}{v_{A}}}\cdot 1000}$ 

肖氏硬度以美国人Albert Shore（英语：Albert Ferdinand Shore）命名，测量金属硬度。测试原理是将规定的金刚石冲头从固定的高度落在试样的表面上，冲头弹起一定高度，将弹起高度与下落高度之比用以计算肖氏硬度。

参见

• 强度
• 硬度试验

注释

1. 仅适用于碳钢、低合金钢和铸钢在热成型和热处理条件下有效，对于高合金钢和冷作钢（如：6.8、A2、A4）有相当大的偏差。

参考文献

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20. GB/T3854-2005《增强塑料巴柯尔硬度计试验方法》
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