第一章金屬材料基礎(chǔ)知識第一節(jié)金屬材料的分類第二節(jié)金屬晶體結(jié)構(gòu)第三節(jié)純金屬的晶體第四節(jié)合金的晶體結(jié)構(gòu)第五節(jié)金屬材料的力學(xué)性能第六節(jié)金屬材料的物理、化學(xué)和工藝性能

金屬材料是現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。在機械制造中，大多數(shù)零件都是由各種金屬材料制成的。零件的工作條件和加工方法不同，必然會對金屬材料提出各種不同的性能要求。因此，研究金屬材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其變化規(guī)律，是了解金屬材料性能、正確選用材料、合理確定金屬加工方法的基礎(chǔ)。第一節(jié)金屬材料的分類

金屬是指在常溫、常壓下，在游離狀態(tài)下呈不透明的固體狀態(tài)，具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，有一定強度和韌性，并具有特殊光澤的物質(zhì)，如金、銀、銅、鐵、錳、鋅、鋁等。

金屬材料是由金屬元素或以金屬元素為主，其他金屬元素或非金屬元素為輔構(gòu)成的，并具有金屬特性的工程材料。金屬材料包括純金屬、合金、金屬化合物和特種金屬材料等。

純金屬的強度與硬度一般都較低，塑性與韌性較好，在工業(yè)生產(chǎn)中有一定的用途，但由于純金屬的冶煉技術(shù)復(fù)雜，成本較高，因此，純金屬在使用上受到較大限制。

合金是指由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬元素組成的金屬材料。如碳素鋼是由鐵和碳組成的合金，普通黃銅是由銅和鋅兩種金屬元素組成的合金等。

金屬化合物是指合金中各種元素之間發(fā)生相互作用而形成的一種具有金屬特性的物質(zhì)。金屬化合物具有熔點高、硬度高、脆性大的特性。當(dāng)合金中出現(xiàn)金屬化合物時，通常能提高合金的硬度和耐磨性，但塑性和韌性會降低。

特種金屬材料包括不同用途的結(jié)構(gòu)金屬材料和功能金屬材料。其中有通過快速冷凝工藝獲得的非晶態(tài)金屬材料，以及準(zhǔn)晶、微晶、納米晶金屬材料等；還有隱身、抗氫、超導(dǎo)、形狀記憶、耐磨、減振阻尼等特殊功能合金，以及金屬基復(fù)合材料等。金屬材料的分類

金屬材料通?？煞譃楹谏饘俸陀猩饘賰纱箢悾鐖D所示。第二節(jié)金屬晶體結(jié)構(gòu)一、晶體與非晶體

晶體是指其組成微粒(原子、離子或分子)呈規(guī)則排列的物質(zhì)，如圖所示。晶體具有固定的熔點和凝固點、規(guī)則的幾何外形和各向異性等特點，如金剛石、石墨及一般固態(tài)金屬材料等都是晶體。

非晶體是指其組成微粒無規(guī)則地散亂堆積在一起的物質(zhì)，如玻璃、瀝青、石蠟、松香等都是非晶體。非晶體沒有固定的熔點，而且性能具有各向同性。

固態(tài)物質(zhì)可分為晶體與非晶體兩類。晶體中原子的排列情況1.晶格

為了便于描述和理解晶體中原子在三維空間排列的規(guī)律性，人們把晶體內(nèi)部的原子近似看成剛性的質(zhì)點，用假想的直線將各質(zhì)點中心連接起來，形成一個空間格子，如圖所示，這種抽象地用于描述原子在晶體中排列形式的空間幾何格子稱為晶格。

晶格2.晶胞

根據(jù)晶體中原子排列規(guī)律性和周期性的特點，通常從晶格中選取一個能充分反映原子排列特點的最小幾何單元進(jìn)行分析，這個反映晶格特征、具有代表性的最小幾何單元稱為晶胞，如圖所示。

晶胞二、常見金屬晶格的類型1.體心立方晶格

體心立方晶格的晶胞是立方體，立方體的8個頂角和中心各有一個原子，每個晶胞實有原子數(shù)是兩個（1/8×8+1=2），如圖所示。具有這種晶格的金屬有α—Fe、鎢(W)、鉬(Mo)、鉻(Cr)、釩(V)、鈮(Nb)等約30種。原子排列模型晶胞原子個數(shù)原子排列模型晶胞原子個數(shù)2.面心立方晶體

面心立方晶格的晶胞也是立方體，立方體的八個頂角和六個面的中心各有一個原子，每個晶胞實有原子數(shù)是四個（1/8×8+1/2×6=4），如圖所示。具有這種晶格的金屬有γ—Fe、金(Au)、銀(Ag)、鋁(Al)、銅(Cu)、鎳(Ni)、鉛(Pb)等。原子排列模型晶胞原子個數(shù)3.密排六方晶格

密排六方晶格的晶胞是六方柱體,在六方柱體的12個頂角和上、下底面中心各有一個原子。另外在上、下面之間還有三個原子，因此，每個晶胞實有原子數(shù)是6個（1/6×12+1/2×2+3=6），如圖所示。具有這種晶格的金屬有α—Ti、鎂(Mg)、鋅(Zn)、鈹(Be)、鎘(Cd)等。原子排列模型晶胞原子個數(shù)三、金屬的實際晶體結(jié)構(gòu)1.單晶體與多晶體

原子從一個核心(或晶核)按同一方向進(jìn)行排列生長而形成的晶體稱為單晶體；實際使用的金屬材料通常是由許多不同位向的小晶體組成的，稱為多晶體；這些小晶體往往呈顆粒狀，不具有規(guī)則的外形，故稱為晶粒；晶粒與晶粒之間的界面稱為晶界。單晶體多晶體

晶體的各向異性

晶體具有各向異性，沿著一個晶體的不同方向所測得的性能是不同的(如導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、熱膨脹性、彈性、強度、光學(xué)數(shù)據(jù)和外表面的化學(xué)性質(zhì)等)，表現(xiàn)出或大或小的差異。稱為各向異性或異向性。晶體的異向性是因其原子的規(guī)律排列而造成的。提示：2.晶體的結(jié)構(gòu)缺陷

按照晶體缺陷的幾何形態(tài)特征，常見的晶體缺陷有點缺陷、線缺陷和面缺陷三種，其對性能的影響見下表。類型名稱缺陷示意圖說明對性能影響點缺陷間隙原子

晶體在三維方向上尺寸很小，不超過幾個原子直徑的缺陷，常見的點缺陷有間隙原子、空位原子和置代原子

在宏觀上，使材料的強度、硬度和電阻增加，同時使處于缺陷處的原子易于移動空位原子置代原子線缺陷刃位錯

晶體某一平面中呈線狀分布的缺陷，它的具體形式為位錯，最常見的位錯為刃位錯

在位錯周圍，由于錯排晶格產(chǎn)生較嚴(yán)重的畸變，所以內(nèi)應(yīng)力較大。位錯很容易在晶體中移動，位錯的存在在宏觀上表現(xiàn)為使金屬材料的塑性變形更加容易常見的晶體缺陷及影響類型名稱缺陷示意圖說明對性能影響面缺陷

晶界

面缺陷是指在晶體的空間中分布著的較大的缺陷，常見的面缺陷有金屬晶體中的晶界和亞晶界

晶界處的原子排列極不規(guī)則，使晶格畸變處于不穩(wěn)定狀態(tài)，高溫下晶界處的原子極易擴散。而在常溫下，晶界使金屬的塑性變形阻力增大

在宏觀上表現(xiàn)為晶界比晶粒內(nèi)部具有更高的強度和硬度。因此，晶界越多，金屬材料的力學(xué)性能越好亞晶界第三節(jié)純金屬的結(jié)晶

大多數(shù)金屬都是經(jīng)過熔化、冶煉和澆注獲得的。金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為凝固。通過凝固形成晶體的過程稱為結(jié)晶，也就是金屬從高溫液體狀態(tài)冷卻凝固為原子有序排列的固體狀態(tài)的過程。這一過程實際上是原子由一個高能量級向一個較低能量級轉(zhuǎn)變的過程，所以在結(jié)晶過程中會放出一定的熱量，稱為結(jié)晶潛熱。一、冷卻曲線與過冷度

純金屬的結(jié)晶是在一定溫度下進(jìn)行的，人們把金屬結(jié)晶時溫度與時間的關(guān)系曲線稱為冷卻曲線，如圖所示。純金屬結(jié)晶時的冷卻曲線

從冷卻曲線上可以看出，液體金屬隨著時間的推移，溫度逐漸下降，當(dāng)冷卻到某一溫度時，在冷卻曲線上出現(xiàn)一水平線段，這個水平線段所對應(yīng)的溫度就是金屬的理論結(jié)晶溫度T0，但金屬在實際結(jié)晶過程中，液態(tài)金屬冷卻到理論結(jié)晶溫度T0以下的某一溫度T1時才開始結(jié)晶，這種現(xiàn)象稱為過冷。理論結(jié)晶溫度T0與實際結(jié)晶溫度T1之差ΔT稱為過冷度。

液態(tài)金屬的結(jié)晶過程是一個晶核形成及晶核長大的過程。當(dāng)液態(tài)金屬緩慢地冷到結(jié)晶溫度以后，經(jīng)過一定時間，首先形成一些極細(xì)小的微小晶體，稱為晶核。二、金屬的結(jié)晶過程純金屬結(jié)晶過程

晶核長大的實質(zhì)是原子由液體向固體表面轉(zhuǎn)移的過程。純金屬結(jié)晶時，晶核長大方式主要有平面長大方式和枝晶長大方式兩種。枝晶狀晶體成長三、晶粒度的控制1.決定晶粒度的因素

金屬結(jié)晶時，每個晶粒都是由晶核長大而成的，晶粒的大小與形核率Ｎ及生長速率Ｇ有關(guān)，如圖所示。形核率、生長速率和過冷度的關(guān)系2.控制晶粒度的方法（1）增加過冷度

隨著過冷度的增加，形核率和生長速率都會增加，但形核率增加比生長速率增加要快，所以產(chǎn)生的晶核數(shù)目增加。因此，通過加快冷卻速度，即增加過冷度，可使晶粒細(xì)化。（2）

變質(zhì)處理

在液態(tài)金屬中加入變質(zhì)劑(高熔點的固體微粒)，以增加晶核的數(shù)目，從而細(xì)化晶粒，這種方法稱為變質(zhì)處理。變質(zhì)處理在生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，特別對體積大的金屬很難獲得大的過冷度時，采用變質(zhì)處理可有效地細(xì)化晶粒。（3）附加振動

在金屬結(jié)晶時施以機械振動、電磁振動、超聲波振動等方法，可使金屬在結(jié)晶初期形成的晶粒破碎，以增加晶核數(shù)目，起到細(xì)化晶粒的目的。四、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

大多數(shù)金屬結(jié)晶完成后晶格類型就不會再發(fā)生變化，但也有少量金屬(如鐵、鈷、鈦、錫、錳等)在結(jié)晶為固態(tài)后，再繼續(xù)冷卻時其晶格類型還會發(fā)生變化。金屬在固態(tài)下隨著溫度的改變，由一種晶格轉(zhuǎn)變成另一種晶格的現(xiàn)象稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變或同素異晶轉(zhuǎn)變。

如圖所示，液態(tài)純鐵在1538℃進(jìn)行結(jié)晶，得到具有體心立方晶格的δ—Fe繼續(xù)冷卻到1394℃時,發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，由體心立方晶格的δ—Fe轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎骄Ц竦摩谩狥e再冷卻到912℃時，由面心立方晶格的γ—Fe轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方晶格的α—Fe上述轉(zhuǎn)變過程可由下式表示:純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變冷卻曲線圖

同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是鋼鐵材料的一個重要特性，也是鋼鐵材料能夠進(jìn)行熱處理的理論依據(jù)。同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是通過原子的重新排列來完成的，這一過程類似隊列變換，具有以下特點:

１.同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是由晶核形成和晶核長大兩個基本過程完成的，新晶核優(yōu)先在原晶界處生成。

２.同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變也有過冷(或過熱)現(xiàn)象，而且轉(zhuǎn)變過程中具有較大的過冷度(或過熱度)。

３.在同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變過程中有相變潛熱產(chǎn)生，在冷卻曲線上也出現(xiàn)了水平線段，但這種轉(zhuǎn)變是在固態(tài)下進(jìn)行的。

４.同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時常伴有金屬的體積變化，并產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，這是鋼熱處理時導(dǎo)致工件變形和開裂的重要原因。

同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變與金屬結(jié)晶過程的異同相同點:１.有一定的轉(zhuǎn)變溫度，轉(zhuǎn)變時有過冷現(xiàn)象。２.放出和吸收潛熱。３.轉(zhuǎn)變過程也是一個形核和晶核長大的過程。不同點:１.同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時，新的晶核優(yōu)先在原來晶粒的晶界處形核。２.晶格的變化伴隨著金屬體積的變化，轉(zhuǎn)變時會產(chǎn)生較大的內(nèi)

應(yīng)力。

提示：第四節(jié)合金的晶體結(jié)構(gòu)一、基本概念1.合金

合金是指以一種金屬為基礎(chǔ)，加入其他金屬或非金屬，經(jīng)過熔煉、燒結(jié)或用其他方法組合而成的具有金屬特性的物質(zhì)。2.組元

組成合金的最簡單、最基本且能夠單獨存在的物質(zhì)稱為組元。一般來說，組元就是組成合金的元素。但有時也可將穩(wěn)定的化合物作為組元，如Fe3C等。根據(jù)組成合金組元數(shù)目的多少，合金可以分為二元合金、三元合金和多元合金。3.合金系

組元相同、按不同比例配制而成的一系列不同化學(xué)成分的所有合金稱為合金系，如黃銅是銅與鋅組成的二元合金系。4.相

在金屬或合金中，凡化學(xué)成分相同、晶體結(jié)構(gòu)相同并與其他部分有界面分開的均勻組成部分稱為相。合金中相與相之間有明顯的界面，液態(tài)合金通常都為單相液體。固態(tài)下，由一個固相組成時稱為單相合金，由兩個以上固相組成時稱為多相合金。5.組織

合金的組織是指用肉眼或借助于顯微鏡所觀察到的合金的相組成及相的數(shù)量、形態(tài)、大小、分布特征。組織可以由一種相組成，也可以由多種相組成。

由于合金的性能取決于組織，而組織又首先取決于合金中的相，所以，為了了解合金的組織和性能，首先必須了解合金的晶體結(jié)構(gòu)。二、合金晶體結(jié)構(gòu)

根據(jù)合金中各組元之間結(jié)合方式的不同?合金的組織可分為固溶體、金屬化合物和機械混合物三類。1.固溶體

合金結(jié)晶時若組元相互溶解所形成的固相晶體結(jié)構(gòu)與組成合金的某一組元相同，則這類固相稱為固溶體。固溶體中含量較多的組元稱為溶劑。固溶體用

等符號表示。根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中所占位置的不同，可將固溶體分為置換固溶體和間隙固溶體。（1）置換固溶體

溶質(zhì)原子占據(jù)了溶劑原子晶格中的某些節(jié)點位置而形成的固溶體稱為置換固溶體，如圖所示。溶質(zhì)與溶劑原子半徑相當(dāng)時，易形成置換固溶體，置換固溶體既可以是有限固溶體也可以是無限固溶體。置換固溶體（2）間隙固溶體

溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格間隙所形成的固溶體稱為間隙固溶體，如圖所示。溶質(zhì)原子是半徑很小的非金屬元素，當(dāng)溶質(zhì)與溶劑原子半徑之比小于0.59時，容,易形成間隙固溶體。由于溶劑晶格中間隙的尺寸和數(shù)量是一定的，因此間隙固溶體只能是有限固溶體。間隙固溶體

無論是置換固溶體還是間隙固溶體，在其形成過程中都會導(dǎo)致固溶體的晶格發(fā)生畸變，如圖所示。對于置換固溶體，溶質(zhì)原子較大時造成正畸變，較小時引起負(fù)畸變，形成間隙固溶體時總是產(chǎn)生正畸變。顯然，原子尺寸差別越大，溶劑中溶入的溶質(zhì)原子數(shù)越多，所形成的固溶體的晶格畸變越嚴(yán)重。間隙固溶體置換固溶體2.金屬化合物

金屬化合物是指金屬組元間相互作用而生成的具有金屬特性的一種新相。其晶格類型不同于它的任一組元，而是形成一種具有自己獨特晶體結(jié)構(gòu)的新相，也稱中間相，具有熔點高、硬而脆的特點。合金中出現(xiàn)金屬化合物時，通常能顯著提高合金的強度、硬度和耐磨性，但塑性和韌性也會明顯地降低。提示：

彌散強化

當(dāng)金屬化合物以細(xì)小的顆粒狀形式均勻地分布在固溶體基體上時，將導(dǎo)致合金材料的強度、硬度和耐磨性顯著提高。但塑性和韌性會有所下降的現(xiàn)象，稱為彌散強化。

在實際生產(chǎn)中，通過調(diào)整合金中金屬化合物的數(shù)量、大小、形態(tài)和分布狀況，可使合金的力學(xué)性能發(fā)生變化，以滿足不同使用要求。3.機械混合物

固溶體和金屬化合物均是組成合金的基本相，由兩相或兩相以上組成的多相組織稱為機械混合物。三、合金結(jié)晶過程合金的結(jié)晶過程中具有以下特點:1.純金屬的結(jié)晶是在恒溫下進(jìn)行的，只有一個結(jié)晶溫度，而絕大多數(shù)合金的結(jié)晶是在一個溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的。一般結(jié)晶的開始溫度與終止溫度是不同的，即有兩個結(jié)晶溫度。2.合金在結(jié)晶過程中，在局部范圍內(nèi)相的化學(xué)成分有差異。但當(dāng)結(jié)晶終止后，整個晶體的平均化學(xué)成分與原合金的化學(xué)成分相同。3.合金結(jié)晶后一般有三種情況:第一種情況是形成單相固溶體；第二種情況是形成單相金屬化合物或同時結(jié)晶出兩相機械混合物；第三種情況是結(jié)晶開始時形成單相固溶體，剩余液體又同時結(jié)晶出兩相機械混合物。提示：

共晶轉(zhuǎn)變與共析轉(zhuǎn)變

從一定化學(xué)成分的液體合金中同時結(jié)晶出兩種不同成分和不同晶體結(jié)構(gòu)的固相過程稱為共晶轉(zhuǎn)變，其結(jié)晶產(chǎn)物稱為共晶體。實踐證明，共晶轉(zhuǎn)變是在恒溫下進(jìn)行的。

在固態(tài)下由一種單相固溶體同時析出兩種化學(xué)成分和晶格結(jié)構(gòu)完全不同的新固相的轉(zhuǎn)變過程稱為共析轉(zhuǎn)變，共析轉(zhuǎn)變與共晶轉(zhuǎn)變一樣，也是在恒溫條件下進(jìn)行的。第五節(jié)金屬材料的力學(xué)性能

所謂使用性能，是指金屬材料在使用條件下表現(xiàn)出來的性能，它包括力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能等。金屬材料使用性能的好壞決定了它的使用范圍與使用壽命。工藝性能是指金屬材料在加工制造過程中適應(yīng)各種冷加工和熱加工的性能。金屬材料工藝性能的好壞決定了它在制造過程中加工成形的適應(yīng)能力。

金屬材料的力學(xué)性能指標(biāo)主要有強度、塑性、硬度、沖擊韌性和疲勞強度等。一、強度與塑性

金屬材料在靜荷作用下抵抗永久變形和斷裂的能力稱為強度。塑性是指金屬材料在斷裂前發(fā)生不可逆永久變形的能力。

根據(jù)載荷的作用方式不同，強度可分為抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度、抗剪強度等。1.拉伸試驗

拉伸試驗是指利用拉伸試驗機在靜拉力的作用下對標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行軸向拉伸，同時連續(xù)測量變化的載荷及對應(yīng)的試樣伸長量，直至斷裂，并根據(jù)測得的數(shù)據(jù)計算出有關(guān)的力學(xué)性能指標(biāo)。拉伸試驗機（1）拉伸試樣

拉伸試樣必須按此規(guī)定進(jìn)行制作，拉伸試樣分為短拉伸試樣（L0=5d0）和長拉伸試樣（L0=10d0）兩種。一般工程上采用短拉伸試樣。如圖所示為圓柱形比例拉伸試樣。圓柱形拉伸試樣拉伸前拉伸后（2）力—伸長曲線

如圖所示為低碳鋼的力—伸長曲線，圖中縱坐標(biāo)表示拉伸力F，橫坐標(biāo)表示伸長量ΔＬ，從圖中可以看出，試樣從開始拉伸到斷裂要經(jīng)過彈性變形階段、屈服階段、強化階段、縮頸與斷裂四個階段。低碳鋼的力—伸長曲線2.強度指標(biāo)（1）屈服強度

屈服強度是指試樣在拉伸試驗過程中力不增加(保持恒定)而仍能繼續(xù)伸長(變形)時的應(yīng)力，屈服強度分為上屈服強度ReH和下屈服強ReL。在金屬材料中，一般用下屈服強度代表其屈服強度，計算公式如下:

式中ReL———試樣的下屈服強度，MPa；FeL———試樣屈服時的最小載荷，Ｎ；So

———試樣原始橫截面積，mm２

（2）抗拉強度

抗拉強度是指拉伸試樣斷裂前所能承受的最大拉應(yīng)力，用符號Ｒｍ表示，其計算公式如下:式中Rm———抗拉強度，MPa;Fm———試樣拉斷前承受的最大載荷，N;So

———試樣原始橫截面積，ｍｍ２（3）剛度

材料在受力時抵抗彈性變形的能力稱為剛度,它表示材料彈性變形的難易程度。材料剛度的大小一般用彈性模量E和切變模量G來評價。3.塑性指標(biāo)（1）斷后伸長率

拉伸試樣在進(jìn)行拉伸試驗時，在力的作用下產(chǎn)生塑性變形，原始拉伸試樣中的標(biāo)距會不斷伸長。拉伸試樣拉斷后的標(biāo)距伸長量與原始標(biāo)距的百分比稱為斷后伸長率，用符號A表示，其計算公式如下:式中Lo———試樣原始標(biāo)距長度，mmLu———試樣拉斷后的標(biāo)距長度，mm（2）斷面收縮率

斷面收縮率是指拉伸試樣拉斷后縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比，用符號Z表示，其計算公式如下:式中So———試樣原始橫截面積，mm；Su———試樣拉斷后縮頸處的橫截面積，mm。4.強度與塑性計算

有一根d=10mm，Lo=100mm的低碳鋼試樣，進(jìn)行拉伸試驗時測得FeL=21KN，F(xiàn)m＝29KN，du=5.65mm，Lu＝138mm，求此試樣的ReL、Rm、A11.3和Zo二、硬度

硬度是指金屬材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕形成的永久變形的能力。它是衡量金屬材料軟硬程度的一種性能指標(biāo)，硬度越高，材料的耐磨性越好。

硬度測定方法有壓入法、劃痕法、回彈高度法等，目前生產(chǎn)中最常用的是壓入法，即在規(guī)定的靜態(tài)試驗力作用下，將一定幾何形狀的壓頭壓入被測試的金屬材料表面，根據(jù)壓痕的面積大小或深度大小來測定其硬度值。

在壓入法中，根據(jù)載荷、壓頭和表示方法的不同，常用的方法有布氏硬度試驗法、洛氏硬度試驗法和維氏硬度試驗法。如圖所示為測試硬度時常用的三種硬度試驗機。硬度試驗機ａ)布氏硬度試驗機ｂ)洛氏硬度試驗機ｃ)維氏硬度試驗機1.布氏硬度（1）試驗原理

對一定直徑的硬質(zhì)合金球施加試驗力壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時間后，卸除試驗力，測量試樣表面壓痕的直徑d來計算其硬度值，如圖所示。布氏硬度試驗原理圖

布氏硬度值是用球面壓痕單位面積上所承受的平均壓力來表示的，用符號HBW表示，單位為MPa(一般不標(biāo)出)，其計算公式為:式中F———試驗力，Ｎ；S———球面壓痕表面積，mm２；D———壓頭直徑，mm；d———壓痕平均直徑，mm。（2）表示方法

布氏硬度用硬度值、硬度符號、壓頭直徑、試驗力和試驗力保持時間表示。（3）特點及應(yīng)用范圍

國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T231.1—2009規(guī)定的布氏硬度試驗范圍上限為650HBW。主要用于測定鑄鐵、有色金屬和退火、正火、調(diào)質(zhì)處理后的各種軟鋼等硬度較低的材料。1.洛氏硬度（1）試驗原理

國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，洛氏硬度試驗是將錐角為120°的金剛石圓錐壓頭或直徑為15875mm(或3.175mm)的硬質(zhì)合金球分兩個步驟壓入試樣表面。經(jīng)規(guī)定保持時間后，卸除主試驗力，測量在初試驗力下的殘余壓痕深度來確定洛氏硬度值，用符號HR表示。

其試驗方法如圖所示，施加初試驗力F0，入深度為ｈ１，頭處于1—1的位置。再施加主試驗力F1，在總試驗力(F0+F1)的作用下，壓頭壓入深度為h2，壓頭處于2—2的位置，保持規(guī)定時間后卸除主試驗力F1，保持初試驗力F0。由于金屬彈性變形的回復(fù)，使壓頭回升到3—3的位置，此時壓頭壓入深度為h3，將h3與h1之差稱為殘余壓痕深度h。洛氏硬度試驗原理圖

殘余壓痕深度越大,測試樣的硬度越低,?？筛鶕?jù)h及常數(shù)N和S來計算洛氏硬度，其計算公式為:式中N———給定標(biāo)尺的硬度數(shù)(洛氏硬度Ａ、Ｃ、Ｄ標(biāo)尺

為100)；h——殘余壓痕深度，ｍｍ；S——給定標(biāo)尺的單位，ｍｍ(洛氏硬度Ａ、Ｃ、Ｄ標(biāo)

尺為0.002mm)。

洛氏硬度無單位，試驗時，硬度值可直接從如圖所示的洛氏硬度試驗機的表盤上讀出。洛氏硬度試驗機的表盤（2）表示方法

為了適應(yīng)不同材料的硬度測定需要，洛氏硬度試驗機采用不同的壓頭和載荷來對應(yīng)不同的硬度標(biāo)尺。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T230.1—2009規(guī)定了Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｋ、Ｎ、Ｔ標(biāo)尺，不同標(biāo)尺的洛氏硬度值彼此之間沒有直接的換算關(guān)系。標(biāo)注時，將測定的硬度值寫在洛氏硬度符號的前面，洛氏標(biāo)尺符號寫在洛氏硬度符號的后面；當(dāng)使用硬質(zhì)合金球壓頭時，在最后面加Ｗ；若使用淬火鋼球，在最后面加Ｓ。如60HRC表示用“Ｃ”標(biāo)尺測定的洛氏硬度值為60。

洛氏硬度試驗是生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的一種硬度試驗方法，常用的洛氏硬度標(biāo)尺有Ａ、Ｂ、Ｃ三種。其中Ｃ標(biāo)尺應(yīng)用最廣泛，常用的三種洛氏硬度標(biāo)尺的試驗條件和適用范圍見下表。常用的三種洛氏硬度標(biāo)尺的試驗條件和適用范圍（3）特點和應(yīng)用范圍洛氏硬度試驗操作簡單、迅速，可直接從表盤上讀出硬度值；試驗壓痕小，對試樣表面損傷小，可以測定成品和較薄工件的硬度；測試的硬度值范圍大，應(yīng)用廣泛，尤其是經(jīng)過淬火處理的零件，常用洛氏硬度機進(jìn)行測試。但由于壓痕小，當(dāng)材料內(nèi)部組織不均勻時，測量值的代表性差，通常需在不同的部位測試多次，取讀數(shù)的平均值作為被測材料的硬度值。3.維氏硬度（1）試驗原理國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，維氏硬度試驗是將頂部兩相對面具有規(guī)定角度（136°）的正四棱錐體金剛石壓頭用一定試驗力壓入試樣表面，保持規(guī)定時間后卸除試驗力，測量試樣表面壓痕對角線長度來計算其硬度值，如圖所示。維氏硬度試驗原理圖維氏硬度值是用正四棱錐形壓痕單位面積上所承受的平均壓力來表示的，用符號HV表示，其計算公式為:式中Ｆ———試驗力，Ｎ；ｄ———壓痕兩條對角線長度的算術(shù)平均值，mm。（2）表示方法維氏硬度的表示方法與布氏硬度相同，在維氏硬度符號HV前面的數(shù)值為硬度值，后面為試驗力值。標(biāo)準(zhǔn)的試驗保持時間為10~15s，如果選用的時間超出這一范圍，在試驗力值后面還要注上保持時間。例如，600HV30表示采用294.2N（30kgf）的試驗力，保持時間10~15s時測定的硬度值為600.（3）特點和應(yīng)用范圍維氏硬度試驗最大的優(yōu)點在于其硬度值與試驗力的大小無關(guān)，只要是硬度均勻的材料，可以任意選擇試驗力，其硬度值不變，這就相當(dāng)于在一個很寬的硬度范圍內(nèi)具有一個統(tǒng)一的標(biāo)尺。但是維氏硬度試驗效率低。對于試樣的表面質(zhì)量要求較高，通常需要制作專門的試樣，操作麻煩費時，通常只在實驗室中使用。提示：強度、剛度、硬度的區(qū)別強度是抵抗破壞的能力，強調(diào)的是可靠性，即零件本身的承載能力，它是機械零件首先應(yīng)滿足的基本要求。剛度是抵抗彈性變形的能力，即彈性變形的難易程度，如機床主軸在受力時不能產(chǎn)生變形等。硬度是衡量材料軟硬程度的一種指標(biāo)。強調(diào)的是侵入和反侵入的能力，