硬度，物理學專業術語，材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力稱為硬度。固體對外界物體入侵的局部抵抗能力，是比較各種材料軟硬的指標。由於規定了不同的測試方法，所以有不同的硬度標準。各種硬度標準的力學含義不同，相互不能直接換算，但可通過試驗加以對比。
基本介紹
- 中文名：硬度
- 外文名：Hardness
- 類型：物理學專業術語
- 解釋：材料局部抵抗硬物壓入其表面能力
基本概念,硬度分類,劃痕硬度,壓入硬度,洛氏硬度,布氏硬度,維氏硬度,顯微硬度,里氏硬度,肖氏硬度,巴氏硬度,努氏硬度,韋氏硬度,硬度測定,測試種類,測量方法,
基本概念
硬度分為：①劃痕硬度。主要用於比較不同礦物的軟硬程度，方法是選一根一端硬一端軟的棒，將被測材料沿棒划過，根據出現劃痕的位置確定被測材料的軟硬。定性地說，硬物體劃出的劃痕長，軟物體劃出的劃痕短。②壓入硬度。主要用於金屬材料，方法是用一定的載荷將規定的壓頭壓入被測材料，以材料表面局部塑性變形的大小比較被測材料的軟硬。由於壓頭、載荷以及載荷持續時間的不同，壓入硬度有多種，主要是布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度和顯微硬度等幾種。③回跳硬度。主要用於金屬材料，方法是使一特製的小錘從一定高度自由下落衝擊被測材料的試樣，並以試樣在衝擊過程中儲存（繼而釋放）應變能的多少（通過小錘的回跳高度測定）確定材料的硬度。
硬度分類
劃痕硬度
1722年，法國的R．-A．F．de列奧米爾首先提出了極粗糙的劃痕硬度測定法。此法是以適當的力使被和材料在一根由一端硬漸變到另一端軟的金屬棒上划過，根據棒上出現劃痕的位置確定被測材料的硬度。1822年，F．莫斯以十種礦物的劃痕硬度作為標準，定出十個硬度等級，稱為莫氏硬度。十種礦物的莫氏硬度級依次為：金剛石（10），剛玉（9），黃玉（8），石英（7），長石（6），磷灰石（5），螢石（4），方解石（3），石膏（2），滑石（1）。其中金剛石最硬，滑石最軟。莫氏硬度標準是隨意定出的，不能精確地用於確定材料的硬度，例如10級和9級之間的實際硬度差就遠大於2級和1級之間的實際硬度差。但這種分級對於礦物學工作者野外作業是很有用的。
壓入硬度
用一定的載荷將規定的壓頭壓入被測材料，根據材料表面局部塑性變形的程度比較被測材料的軟硬，材料越硬，塑性變形越小。壓入硬度在工程技術中有廣泛的用途。壓頭有多種，如一定直徑的鋼球、金剛石圓錐、金剛石四稜錐等。載荷範圍為幾克力至幾噸力（即幾十毫牛頓至幾萬牛頓）。壓入硬度對載荷作用於被測材料表面的持續時間也有規定。主要的壓入硬度有布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度和顯微硬度等。
洛氏硬度
這種硬度測定法是美國的S．P．洛克韋爾於1919年提出的，它基本上克服了布氏測定法的上述不足。洛氏硬度所採用的壓頭是錐角為120°的金剛石圓錐或直徑為1/16英寸（1英寸等於25.4毫米）的鋼球，並用壓痕深度作為標定硬度值的依據。測量時，總載荷分初載荷和主載荷（總載荷減去初載荷）兩次施加，初載荷一般選用10千克力，加至總載荷後卸去主載荷，並以這時的壓痕深度來衡量材料的硬度。洛氏硬度記為HR，所測數值寫在HB後，洛氏硬度值計算公式為：
式中h表示塑性變形壓痕深度（毫米）；k是規定的常量；分母中的0.002（毫米）是每洛氏硬度單位對應的壓痕深度。對應於金剛石圓錐壓頭的k=0.20（毫米），對應於鋼球壓頭的k=0.26（毫米）。
為了適應極寬闊的測量範圍，可採用改變載荷和更換壓頭兩種辦法。不同的載荷和壓頭組成不同的洛氏硬度標尺，常用的標尺有A、B、C三種。標尺B用於中等硬度的金屬材料，如退火的低碳鋼和中碳鋼、黃銅、青銅和硬鋁合金；壓頭為直徑1/16英寸的鋼球；載荷為100千克力。其標尺範圍是由HRB0到HRB100，硬度高於HRB100時鋼球可能被壓扁。標尺C用於硬度高於HRB100的材料，如淬火鋼、各種淬火和回火合金鋼。壓頭為頂角120°的金剛石圓錐；載荷為150千克力。標尺C的使用範圍是從HRC20到HRC70，標尺B和C是洛氏硬度的標準標尺。標尺A用於鎢、硬質合金及其他硬材料，還用於淬硬的薄鋼帶。由於大載荷容易損壞金剛石壓頭，所以載荷改為60千克力。標尺A是所有洛氏硬度標尺中唯一能在退火黃銅直到硬質合金這樣廣闊的硬度範圍內使用的標尺。
洛氏硬度試驗採用三種試驗力，三種壓頭，它們共有9種組合，對應於洛氏硬度的9個標尺。這9個標尺的套用涵蓋了幾乎所有常用的金屬材料。最常用標尺是HRC、HRB和HRF，其中HRC標尺用於測試淬火鋼、回火鋼、調質鋼和部分不鏽鋼。這是金屬加工行業套用最多的硬度試驗方法。HRB標尺用於測試各種退火鋼、正火鋼、軟鋼、部分不鏽鋼及較硬的銅合金。HRF標尺用於測試純銅、較軟的銅合金和硬鋁合金。HRA標尺儘管也可用於大多數黑色金屬，但是實際套用上一般只限於測試硬質合金和薄硬鋼帶材料。
表面洛氏硬度試驗採用三種試驗力，兩種壓頭，它們有6種組合，對應於表面洛氏硬度的6個標尺。表面洛氏硬度試驗是對洛氏硬度試驗的一種補充，在採用洛氏硬度試驗時，當遇到材料較薄，試樣較小，表面硬化層較淺或測試表面鍍覆層時，就應改用表面洛氏硬度試驗。這時採用與洛氏硬度試驗相同的壓頭，採用只有洛氏硬度試驗幾分之一大小的試驗力，就可以在上述試樣上得到有效的硬度試驗結果。表面洛氏硬度的N標尺適用於類似洛氏硬度的HRC、HRA和HRD測試的材料；T標尺適用於類似洛氏硬度的HRB、HRF和HRG測試的材料。
HRC標尺的使用範圍是20~70HRC，當硬度值小於20HRC時，因為壓頭的圓錐部分壓入太多，靈敏度下降，這時應改用HRB標尺。儘管HRC標尺被規定的上限值為70HRC，但是當試樣硬度大於67HRC時，壓頭尖端承受的壓力過大，金剛石容易損壞，壓頭壽命會大大縮短，因此一般應改用HRA標尺。
HRA標尺的使用範圍是20-88HRA，由美國標準ASTME140可以獲得以下換算關係：
27HRA≈30HRB
60HRA≈100HRB≈20HRC
85.6HRA≈68HRC
可見，HRA標尺的測試範圍涵蓋了從軟鋼（HRB）、硬鋼（HRC）到硬質合金的硬度範圍。然而，事實上HRA標尺很少用於測試軟鋼，主要用於測試薄硬鋼板、深層滲碳鋼和硬質合金。在硬質合金方面，由於技術進步，有些材料硬度已達到93-94HRA，這已超出標準規定。工程上超出HRA高端的測量範圍已成為慣例。HRA標尺有一個特殊用途。在使用洛氏硬度計測試鋼試樣時，如果不知試樣是軟鋼還是硬鋼，可先用HRA標尺試測一下，當硬度值小於60HRA時可改用HRB標尺，當硬度值大於60HRA時可改用HRC標尺。
HRB標尺的使用範圍是20~100HRB，當硬度值低於20HRB時，由於鋼球的壓入深度過大，金屬蠕變加劇，試樣在試驗力作用下的變形時間延長，測試值準確度降低，此時應改用HRF標尺。當硬度值大於100HRB時，因為鋼球壓入深度過淺，靈敏度降低，精度下降，此時應改用HRC標尺。在使用HRB標尺測試鋼試樣時，一個特別值得注意的地方是：當預先不知道試樣是軟鋼還是硬鋼時，決不可使用HRB標尺做測試，因為用鋼球壓頭誤測了淬火鋼，鋼球就可能會變形，鋼球壓頭就會損壞，這是鋼球壓頭損壞的主要原因。遇到這種情況時應先用金剛石壓頭，用HRA標尺測試一下，再決定是用HRB還是用HRC。
HRF標尺的使用範圍是60~100HRF。HRF標尺是國外使用較多的一個標尺，它是測試純銅和較軟的銅合金材料很好的檢測手段。但是在我國，也存在標準硬度塊短缺的問題，它的套用也受到了限制。
HRG標尺適用於HRB值接近100的材料，對於鈹青銅、磷青銅、可鍛鑄鐵這些硬度範圍介於HRB標尺的高端和HRC標尺低端的材料，如果改用HRG標尺，就可以大大改善測試的靈敏度，提高測試精度。
其他
1.HRC含意是洛氏硬度C標尺，
2.HRC和HB在生產中的套用都很廣泛
3.HRC適用範圍HRC20－－67，相當於HB225－－650
若硬度高於此範圍則用洛氏硬度A標尺HRA。
若硬度低於此範圍則用洛氏硬度B標尺HRB。
布氏硬度上限值HB650,不能高於此值。
4.洛氏硬度計C標尺之壓頭為頂角120度的金剛石圓錐，試驗載荷為一確定值，中國標準是150公斤力。
布氏硬度計之壓頭為淬硬鋼球（HBS)或硬質合金球（HBW），試驗載荷隨球直徑不同而不同，從3000到31.25公斤力。
5.洛氏硬度壓痕很小，測量值有局部性，須測數點求平均值，適用成品和薄片，歸於無損檢測一類。
布氏硬度壓痕較大，測量值準，不適用成品和薄片，一般不歸於無損檢測一類。
6.洛氏硬度的硬度值是一無名數，沒有單位。（因此習慣稱洛氏硬度為多少度是不正確的。）
布氏硬度的硬度值有單位，且和抗拉強度有一定的近似關係。
7.洛氏硬度直接在錶盤上顯示、也可以數字顯示，操作方便，快捷直觀，適用於大量生產中。
布氏硬度需要用顯微鏡測量壓痕直徑，然後查表或計算，操作較繁瑣。
8.在一定條件下，HB與HRC可以查表互換。其心算公式可大概記為：1HRC≈10HB。
布氏硬度
布氏硬度是瑞典工程師J．A．布里涅耳於1900年提出的。它在工程技術特別是機械和冶金工業中廣泛使用。布氏硬度的測量方法是用規定大小的載荷P，把直徑為D的鋼球壓入被測材料表面，持續規定的時間後卸載，用載荷值（千克力，1千克力等於9.80665牛頓）和壓痕面積（平方毫米）之比定義硬度值。布氏硬度HB的計算式為：
式中d為壓痕的直徑。
1908年德國的E．邁耶爾指出，若要使不同直徑的鋼球在同一材料上測得同樣的硬度，就需要改變載荷值，使壓痕保持幾何相似，相似條件為：
式中P1、D1和P2、D2分別為兩組測量條件中的載荷值和鋼球直徑。
若D=10毫米，P=3000千克力，載荷持續時間10秒，則硬度數可直接寫在布氏硬度符號後面，例如HB250。若是其他測定條件，則應將條件用小號字寫在布氏硬度符號後面，例如，HB5/250/30100表示在D=5毫米、P=250千克力、載荷持續時間為30秒的條件下測得布氏硬度數為100。布氏硬度測定法只能在硬度不高於HB450的情況下使用。因為太硬的材料會使鋼球明顯變形。布氏硬度測定法比較費時。為了在測定時得到清晰的壓痕，試樣必須經過表面準備和打磨等處理。在製作完畢的機械零件上作布氏硬度測定，會由於壓痕過大影響零件的正常裝配和使用性能。因此布氏硬度測定法不適於檢測大批量生產的零件。
布氏硬度(HB)一般用於材料較軟的時候，如有色金屬、熱處理之前或退火後的鋼鐵。洛氏硬度(HRC)一般用於硬度較高的材料，如熱處理後的硬度等等。
布氏硬度(HB)是以一定大小的試驗載荷，將一定直徑的淬硬鋼球或硬質合金球壓入被測金屬表面，保持規定時間，然後卸荷，測量被測表面壓痕直徑。布氏硬度值是載荷除以壓痕球形表面積所得的商。一般為：以一定的載荷將一定大小的淬硬鋼球壓入材料表面，保持一段時間，去載後，負荷與其壓痕面積之比值，即為布氏硬度值(HB)，單位為公斤力/mm2(N/mm2)。
測試載荷與測試鋼球的直徑需根據材料的實際性能再確定。
標註方法舉例
150HBW10/1000/30表示壓頭直徑為10mm的硬質合金球，在1000kgf試驗力的作用下，保持30s時測得的布氏硬度值為150
維氏硬度
維氏硬度試驗方法是英國史密斯（R.L.Smith）和塞德蘭德（C.E.Sandland）於1925年提出的。英國的維克斯—阿姆斯特朗（Vickers-Armstrong）公司試製了第一台以此方法進行試驗的硬度計。和布氏、洛氏硬度試驗相比，維氏硬度試驗測量範圍較寬，從較軟材料到超硬材料，幾乎涵蓋各種材料。
維氏硬度的測定原理基本上和布氏硬度相同，也是根據壓痕單位面積上的載荷來計算硬度值。所不同的是維氏硬度試驗的壓頭是金剛石的正四稜錐體。試驗時，在一定載荷的作用下，試樣表面上壓出一個四方錐形的壓痕，測量壓痕對角線長度，除以計算壓痕的表面積，載荷除以表面積的數值就是試樣的硬度值，用符號HV表示。主要用於確定鋼的表面滲氮硬化程度。維氏硬度測量法所用的壓頭是金剛石正四稜錐（圖1），它的兩相對面間的夾角為136°，載荷有5、10，20、30、50、100千克力等幾種，用壓出的四稜錐壓痕表面積除載荷所得的值作為維氏硬度值，記為HV，即
式中P為載荷；S為壓痕對角線長度（毫米）；
為四稜錐壓頭兩相對面間夾角，=136°。
用於測定上述硬度的儀器以英國維克斯-阿姆斯特朗公司製造的套用較廣，故得名為維氏硬度。
顯微硬度
主要用於確定很薄的材料、細金屬絲、小型精密零件（如鐘錶和儀表零件）的硬度，測定淬硬表面的硬度變化率，研究小面積內硬度的變化以及在金相學中研究金屬中不同相體的硬度等。測量方法與維氏硬度基本相同，但載荷很小，以克力計數；壓痕的特徵尺寸也很小，需要用讀數顯微鏡測出，故得名。1939年，英國國家標準局決定採用F．努普、C．G．彼得斯和W．B．埃默森提出的菱形金剛石四稜錐壓頭（稱為努普壓頭，見圖2）。其壓痕長對角線L和短對角線長度W之比大約為7:1，壓痕深度約為L的1/30，故在壓痕較淺的情況下也能較精確地測出長對角線的長度。用努普壓頭測定的顯微硬度數又稱努普硬度數。在顯微硬度測定中也允許使用普通的136°金剛石正四稜錐壓頭。
顯微硬度的符號以HM表示，若用努普壓頭，則努普硬度數為：
式中P以千克力為單位；L表示菱形壓痕的長對角線長度（毫米）；CP是一個常數，其值與L和壓痕投影面積之比有關。若用136°正四稜錐壓頭，則
式中P為載荷，常用的載荷有2、5、10、50、100、200克力等幾種；S為正方形壓痕的對角線長度，以微米為單位，由顯微硬度計上的讀數顯微鏡測出。
里氏硬度
里氏硬度是以HL表示，里氏硬度測試技術是由瑞士狄爾馬，里伯博士發明的，它是用一定質量的裝有碳化鎢球頭的衝擊體，在一定力的作用下衝擊試件表面，然後反彈。由於材料硬度不同，撞擊後的反彈速度也不同。在衝擊裝置上安裝有永磁材料，當衝擊體上下運動時，其外圍線圈便感應出與速度成正比的電磁信號，再通過電子線路轉換成里氏硬度值。
標註方法舉例
640HV
肖氏硬度
也稱回跳硬度，簡稱HS。表示材料硬度的一種標準。由英國人肖爾(AlbertF.Shore)於1906年研究淬火鋼的硬度測定法時提出的。
肖氏硬度測定法的測量原理是：用重量為1/12盎司力（1盎司力等於0.2780牛頓）的帶有金剛石圓頭或鋼球的小錘，從10英寸的高度自由落下，使小錘以一定的動能衝擊試樣表面。小錘的部分動能轉變成試樣表麵塑性變形功而被消耗；另一部分轉變為彈性應變能被試樣儲藏。試樣彈性變形恢復時釋放出能量，使小錘回跳一定高度。被測物越硬則彈性極限越高，儲藏的彈性應變能越多，小錘回跳得越高。回跳硬度的符號是HS，它以小錘回跳高度進行分度。回跳硬度數只能在彈性模量相同的材料之間進行比較，否則就會得出橡皮比鋼更硬的結論。壓入硬度的測量屬於靜力測定法，而回跳硬度的測量則屬於動力測定法。
巴氏硬度
巴柯爾(Barcol)硬度(簡稱巴氏硬度),最早由美國Barber-Colman公司提出，是近代國際上廣泛採用的一種硬度門類，一定形狀的硬鋼壓針，在標準彈簧試驗力作用下，壓入試樣表面，用壓針的壓入深度確定材料硬度，定義每壓入0.0076mm為一個巴氏硬度單位。巴氏硬度單位表示為HBa。
努氏硬度
努氏硬度是作為絕對數值而測得的硬度，主要在加工方面使用該數值。一般來說，金剛石的努氏硬度為7000~8000千克/平方毫米
韋氏硬度
硬度測定
壓入法（布氏、洛氏、維氏）測量硬度，硬度值表示材料表面抵抗另一物體壓入時所引起的塑性變形的能力。
回跳法（肖氏、里氏）測量硬度，硬度值代表金屬彈性變形功能的大小。
刻劃法測量硬度，硬度值表示金屬抵抗表面局部破裂的能力。
硬度測定範圍:
HS<100
HBW 3 ~ 660
HRC 20~70 ， HRA 20~88， HRB 20~100
HR15N 70~94，HR30N 42~86，HR45N 20~77
HR15T 67~93，HR30T 29~82，HR45T 10~72
HV<4000
另外,天然水中的鈣鎂含量也用硬度表示.我國規定的硬度是:1L水中含的鈣鹽,鎂鹽折合成CaO和MgO的總量相當於10mgCaO(將MgO也換算成CaO)時,其硬度是1°.
測試種類
2. HK:(Knoop 努氏)用於量測較軟材質的鋼及非鐵材料之硬度。
3. HRC:(Rockwell C洛氏)用於量測熱處理鋼材、氮化物、滲碳冶煉物、軸承鋼、工具鋼等。
4. HRB:(Rockwell B洛氏)用於量測較軟材質的鋼及非鐵材料之硬度。
5. HR30T:(Rockwell 30T洛氏) 用於量測較軟材質的鋼及非鐵材料之硬度。
7. HB30:(Brinell 布氏30)用於熱處理鋼、退火深冷處理鋼材、沖拉材料鋼、深沖鋼帶料等。
8. HV:(Vickers維氏)適用於量測各類材料。
9. R:(Tensile module拉伸模數 N/mm2)用於熱處理鋼、退火深冷處理鋼材、沖拉材料鋼、深沖鋼帶料等。
測量方法
洛氏硬度：
採用測量壓入深度的方式，硬度值可直接讀出，操作簡單快捷，工作效率高。然而由於金剛石壓頭的生產及測量機構精度不佳。
特點：
1.測量迅速簡便，效率高；
2.試驗力小，壓痕小；
3.可測定各種材料的硬度；
4.可測定較薄工件的硬度；
5.可測成品；
6.測量精度低，需要多次測量取平均值。
維氏硬度：
代號：HV
簡介：維氏硬度 英文詞條名：Vickers-hardness 表示材料硬度的一種標準。由英國科學家維克斯首先提出。以49.03~980.7N（5kg~10kg）的負荷,將相對面夾角為136°的方錐形金剛石壓入器壓材料表面,保持規定時間後，用測量壓痕對角線長度，再按公式來計算硬度的大小。它適用於較大工件和較深表面層的硬度測定。維氏硬度尚有小負荷維氏硬度，試驗負荷1.961~<49.03N，它適用於較薄工件、工具表面或鍍層的硬度測定；顯微維氏硬度，試驗負荷<1.961N，適用於金屬箔、極薄表面層的硬度測定。
維氏硬度計算公式為：
P為載荷，如10kg。 d為壓痕對角線長度(mm)。 HV10
測試樣圖：
維氏硬度照片陶瓷拋光樣品壓痕光學顯微鏡照片(對角線d)
布氏硬度：
具有較大的壓頭和較大的試驗力,得到壓痕較大，因而能測出試樣較大範圍的性能。與抗拉強度有著近似的換算關係。測量結果較為準確。對材料表面破壞較大，不適合測量成品。測量過程複雜費事。適合測量灰鑄鐵、軸承合金和具有粗大晶粒的金屬材料，適用於原料及半成品硬度測量。
對於測量精度，維氏大於布氏，布氏大於洛氏。
特點：
1.試驗力大，壓痕大，準確性高；
2.測量效率低；
3.不宜測量太小或太薄的試樣；
4.不宜測高硬度材料；
5.不宜測成品。
顯微硬度：
壓痕極小，可以歸為無損檢測一類；適用於測量諸如鐘錶較微小的零件，及表面滲碳、氮化等表面硬化層的硬度。除了正四稜錐金剛石壓頭之外，還有三角形角錐體、雙錐形、船底形、雙柱形壓頭，適用於測量特殊材料和形狀的硬度。
努氏硬度：
努氏硬度測量精度比維氏硬度還要高，而且同樣試驗力下，比維氏硬度壓入深度較淺，適合測量薄層硬度。再加上努氏壓頭作用下壓痕周圍脆裂傾向性小，適合測量高硬度金屬陶瓷材料，人造寶石及玻璃、礦石等脆性材料。
肖氏硬度：
肖氏硬度 - Shore scleroscope hardness .
操作簡單，測量迅速，試驗力小，基本不損壞工件，適合現場測量大型工件，廣泛套用於軋輥及工具機、大齒輪、螺旋槳等大型工件。肖氏硬度是軋輥重要指標之一。
簡稱HS。表示材料硬度的一種標準。由英國人肖爾(Albert F.Shore)首先提出。
套用彈性回跳法將撞銷從一定高度落到所試材料的表面上而發生回跳。撞銷是一隻具有尖端的小錐，尖端上常鑲有金剛鑽。用測得的撞銷回跳的高度來表示硬度。
肖氏硬度試驗是一種動態力試驗，與布、洛、維等靜態力試驗法相比，準確度稍差，受測試時的垂直性，試樣表面光潔度等因素的影響，數據分散性較大，其測試結果的比較只限於彈性模量相同的材料。它對試樣的厚度和重量都有一定要求，不適於較薄和較小試樣，但是它是一種輕便的手提式儀器，便於現場測試，其結構簡單，便於操作，測試效率高。
