1.1.3 硬度
硬度是指材料抵抗局部變形，尤其是塑性變形、壓痕或劃痕的能力，是衡量材料軟硬程度的指標。由于可根據硬度值估計出金屬材料近似的強度和耐磨性，因此硬度在一定程度上反映了材料的綜合力學性能，應用很廣。
材料的硬度是通過硬度試驗來測定的。硬度試驗所用設備簡單，操作簡便、迅速，可直接在半成品或成品上進行試驗而不損壞被測件，因此常將硬度要求作為技術條件標注在零件圖或寫在工藝文件中。
微課：布氏硬度及其測量
硬度試驗方法較多，常用的有布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度和里氏硬度試驗法。
1.布氏硬度
布氏硬度的試驗原理是用一定直徑D的硬質合金球做壓頭，在規定試驗力F的作用下，壓入被測金屬試樣表面（圖1-2），保持規定的時間后卸除試驗力，測量被測試樣表面所形成的壓痕直徑d，用載荷與壓痕球形表面積的比值作為布氏硬度值，用符號HBW表示。
圖1-2 布氏硬度試驗原理示意圖
式中 F——試驗力（N）；
S——永久壓痕球形表面積（mm2）。
布氏硬度值由硬度數值、硬度符號和試驗條件（球體直徑、試驗力大小和保持時間）表示。例如，220 HBW 5/250表示用直徑5mm的硬質合金球在2.452kN試驗力下保持10～15s測定的布氏硬度值為220。硬度值越大，表示被測材料硬度越高。布氏硬度試驗范圍上限為650HBW。
微課：洛氏硬度及其測量
布氏硬度試驗法壓痕面積較大，能反映出較大范圍內材料的平均硬度，所測結果較準確、穩定，但操作不夠簡便。又因壓痕大，故不宜測試薄件或成品件。布氏硬度主要用來測定灰鑄鐵、非鐵金屬及退火、正火和調質的鋼材等。
2.洛氏硬度
洛氏硬度的試驗原理是用頂角為120°的金剛石圓錐壓頭或直徑為1.5875mm的碳化鎢合金球壓頭，在初載荷與主載荷先后作用下，壓入被測金屬表面（圖1-3），保持規定時間后卸除主載荷，根據殘余壓痕深度增量來測定金屬材料的硬度。
在圖1-3中，0-0位置為圓錐壓頭的初始位置，即壓頭沒有與被測金屬表面接觸時的位置；1-1為在初載荷98.07N（10kgf）作用下，壓頭壓入深度h0的位置；2-2為加上主載荷后，壓頭再往下壓入深度h1的位置；3-3為卸除主載荷后，被測金屬彈性變形恢復，使得壓頭向上回升h2時的位置。洛氏硬度就是用壓頭受主載荷作用實際壓入被測金屬表面產生塑性變形的壓痕深度值h的大小來衡量被測金屬的硬度。壓痕深度值h越大，則被測金屬的硬度越低。為適應習慣上數值越大，硬度越高的概念，常用一常數K減去h/0. 002作為洛氏硬度值，用符號HR表示，該值可直接從硬度計表盤上讀出。
圖1-3 洛氏硬度試驗原理示意圖
式中 K——常數。當用金剛石圓錐作壓頭時，K= 100；當用碳化鎢合金球作壓頭時，K=130。
洛氏硬度表示的方法是在符號前寫出硬度值，如60HRC。常用洛氏硬度的試驗條件及應用范圍見表1-1。
表1-1 常用洛氏硬度的試驗條件及應用范圍（摘自GB/T 230.1—2018）
注：1.表中總試驗力=初試驗力+主試驗力。
2.早期版本的標準中，洛氏硬度B標尺允許使用鋼球壓頭，其符號為HRBS。
3.維氏硬度
維氏硬度試驗原理與布氏硬度試驗原理相似，區別在于維氏硬度的壓頭是兩相對面夾角為136°的正四棱錐金剛石。試驗時，在規定試驗力F作用下，壓頭壓入試件表面，保持一定時間后卸除試驗力，測量壓痕兩對角線長度，求其平均值，用于計算壓痕表面積，如圖1-4所示。維氏硬度值就是試驗力F與該壓痕表面積的比值，用符號HV表示，單位為kgf/mm2。
圖1-4 維氏硬度試驗原理示意圖
維氏硬度值不需要計算，一般是根據壓痕對角線長度平均值查GB/T 4340.4—2022《金屬材料 維氏硬度試驗 第4部分：硬度值表》中的附表得出。維氏硬度習慣上不標單位，其表示方法為：在符號HV前面寫出硬度值，HV后面依次用相應數字注明試驗力和保持時間（10～15s不標）。例如640 HV 30/20，表示在30kgf試驗力作用下，保持20s測得的維氏硬度值為640。
維氏硬度試驗法所用試驗力小，壓痕深度淺，輪廓清晰，數字準確可靠，故廣泛用于測量金屬鍍層、薄片材料和化學熱處理后的表面硬度。又因其試驗力可在很大范圍內選擇（49.03～980.7N），所以可測量從很軟到很硬的材料。但維氏硬度試驗不如洛氏硬度試驗簡便、迅速，不適合成批生產的常規試驗。
4.里氏硬度
里氏硬度是瑞士Leeb博士在1978年首次提出的一種全新硬度測量方法，其測量原理是用規定質量的沖擊體在彈簧力作用下以一定速度沖擊試樣表面，當沖擊體撞擊被測表面時會使表面產生變形，這將導致動能的損耗，試樣表面硬度越大，動能損耗就越小。利用電磁學原理，通過檢測與速度成正比的電壓，可得到沖擊體距試樣表面1mm處的沖擊速度與回彈速度之比，從而得到里氏硬度值。
里氏硬度是用沖擊體在距離試樣表面1mm處的回彈速度與沖擊速度之比來表示硬度值，其計算公式如下：
式中 HL——里氏硬度值；
vA——沖擊體沖擊速度（m/s）；
vB——沖擊體回彈速度（m/s）。
里氏硬度計能即時顯示出硬度測量值，且支持多種硬度制式，能在不同硬度制式間自由轉換。里氏硬度計如圖1-5所示。
圖1-5 里氏硬度計
里氏硬度測量具有以下特點：
1）里氏硬度計屬于動載測試。里氏硬度檢測的是沖擊體沖擊與反彈的速度，通過速度修正，可在任意方向上使用，使用非常簡便。
2）里氏硬度計體積小、重量輕，便于現場檢測。里氏硬度計的硬度傳感器如同筆一般大小，無須工作臺，無論是大、重型工件，還是幾何形狀復雜的工件，都很容易檢測。而布氏、洛氏、維氏硬度計由于體積龐大，不便于在現場使用，特別是在測試大、重型工件時，這些硬度計的工作臺由于容納不下工件，因此無法檢測。
3）測量范圍廣，可測量多種金屬材料。
4）要求試樣有一定的質量和厚度，不適合測試小工件。
微課：里氏硬度及其測量
5）里氏硬度在國際上還沒有被普遍接受，迄今未被國際標準化組織采納，試驗數據在國際上還缺乏來自獨立的第三方或國際組織方面的監督與復核。
5.硬度與抗拉強度的關系
硬度反映了金屬材料在局部范圍內對塑性變形的抵抗能力，因此材料的硬度與強度之間有一定內在聯系，強度越高，塑性變形抗力就越大，硬度值也越高。根據材料的硬度值可以大致估計材料的抗拉強度，其經驗公式如下：
低碳鋼（<176HBW） Rm≈3.6×HBW（MPa）
高碳鋼（>175HBW） Rm≈3.45×HBW（MPa）
合金調質鋼 Rm≈3.25×HBW（MPa）
灰鑄鐵 Rm≈HBW（MPa）