金属力学性能--硬度测定方法详解硬度值的方法

大家好，我是机械小欧。 我每天在头条分享机械知识，今天给大家分享一下金属的机械性能——硬度

硬度是衡量金属材料软硬度的性能指标。 也指金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划伤的能力。

硬度测量方法有压痕法、划痕法、回弹高度法等，其中以压制法应用最为普遍。 即在规定的静态试验力下，将一定的压头压入金属材料的表层，然后根据压痕的面积或深度来测量硬度值。 这种评定方法称为压痕硬度。 在压痕法中，根据载荷、压头和表达方法的不同，常用的硬度测试方法有布氏硬度（原标准为HBS至HBW，新标准为HBW）、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC等）。 ）和维氏硬度（HV）。

(1)布氏硬度

布氏硬度的测试原理是用一定直径的硬质合金球以相应的试验力压紧试样表面。 经过规定的保压时间后，撤去试验力，测量试样表面的压痕直径d，然后根据压痕直径d计算硬度值的方法如图2-4所示。 布氏硬度用球形压痕单位表面积上的平均压力来表示。 现行试验标准GB/T231.1-2002用符号HBW表示。 标准规定测试范围上限为650HBW。布氏硬度值的计算公式为

式中，F——试验力（N）；

D——压头直径（mm）；

d——压痕直径（mm）。

式中，只有d为变量。 因此，试验时只要测出压痕直径d（mm），通过计算或查看布氏硬度表即可得到HBW值。 布氏硬度的计算值一般不标注单位，仅注明硬度的数值。

由于金属材料有硬有软，工件有厚有薄，所以进行布氏硬度试验时，压头直径D（有10mm、5mm、2.5mm、1mm四种）、试验力F和保持时间应根据被测金属类型和厚度正确选择来确定。

进行布氏硬度试验时，试验力的选择应保证压痕直径d在(0.24-0.6)D之间。 试验力F（N）与球压头直径D（mm）的平方之比（0.102F/D平方比）应为30、15、10、5、2.5和1之一，并且应为基于合理选择测试材料及其硬度值。

布氏硬度的标记方法是在硬度符号HBW前面标记所测得的硬度值。 除保持时间为10~15s的试验条件外，其他条件下测得的硬度值应在硬度符号后用相应的数字标明压头直径、试验力大小和试验力保持时间。 例如：

150HBW10/1000/30表示使用直径为10mm的硬质合金球，在1000kg（9.087KN）的试验力下保持30秒。 实测布氏硬度值为150

500HBW5/750是指使用直径为5毫米的硬质合金球，在750公斤（7.355KN）的试验力下，保持10-15S所测得的布氏硬度值。 一般当试验力保持时间为10-15S时，则省略不标注。

布氏硬度的特点是：试验时金属材料表面压痕较大； 它能在较宽的范围内反映材料的平均硬度，测量的硬度值比较准确，数据重复性强。 但由于其压痕较大，对金属表面损伤较大，不适合测量太小或太薄的样品。

(2)洛氏硬度

洛氏硬度测试的原理是将锥角为120°的金刚石锥体或直径为1.588mm的淬火钢球压入试样表面，如图2-5所示。 试验时，先施加初始试验力，然后施加主试验力并压紧试样表面后，撤去主试验力。 在保持初始试验力的情况下，根据试样残余压痕深度的增量测量试样的硬度。

图2-5中，0-0位置是金刚石压头不与样品接触时的原始位置。 施加初始试验力Fo后，压头压入样品，深度为ho，处于1-1位置。 加主试验力F1，使压头将试样压入深度h1，即图中2-2的位置。 然后撤去主试验力，保持初始试验力，压头因材料的弹性而回到图中3-3的位置。 图中所示的e值称为残余压痕深度增量。 对于洛氏硬度测试，单位是0.002mm。 标尺满刻度k值和e值之差称为洛氏硬度值。 分为三个等级：A、B、C。其公式为

HR=ke=k-压痕深度/0.002

式中，压痕深度的单位为mm。

对于使用金刚石圆锥压头进行的测试，刻度范围为 100，洛氏硬度值为 100-e。

对于使用淬火钢球压头的测试，标度范围为 130，洛氏硬度值为 130-e。

洛氏硬度的标记方法根据试验时所选择的压头类型和试验力的大小而采用不同的刻度。 按GB/T 230.1-2004规定，硬度值写在符号前面，所用标度写在HR后面。 例如，50HRC表示用“C”标尺测量的洛氏硬度值为50。

洛氏硬度试验是生产中广泛采用的一种硬度检测方法。 其特点是：硬度测试压痕小，对试样表面损伤小。 常用于直接测试成品或半成品的硬度，特别是经过淬火处理的零件。 常采用洛氏硬度计进行检测； 试验操作简单，可直接将硬度值显示在试验机上，省去测量、计算、查表的繁琐工作。 但由于压痕较小，硬度值的准确性不如布氏硬度，数据重复性较差。因此，测试洛氏硬度时，需要在不同位置选择三个测试点来测量硬度值，然后计算三个测试点。

采用平均点硬度作为被测材料的硬度值。

(3)维氏硬度

布氏硬度测试不适合测量硬度较高的材料。 洛氏硬度测试虽然可以测量各种金属材料的硬度，但由于使用的压头、总试验力和标尺不同，硬度值之间没有相关性，不能直接相互换算。 因此，为了不断标定各种金属材料从软到硬的硬度，人们发展了维氏硬度测试方法。

维氏硬度的测量原理与布氏硬度基本相似。 如图2-6所示，使用相对面夹角为136°的正方锥体金刚石作为压头。 试验时，在规定的试验力F（49.03~980.7N）下压入试样表面。 经过规定的保压时间后，撤去试验力，试样表面会出现方锥状压痕。 测量压痕两条对角线d的平均长度即可计算出其硬度值。 维氏硬度是以正锥体压痕单位表面积的平均压力表示的硬度值。用符号HV表示，计算公式为

HV= 0.1891F/d（平方）

式中，F——试验力（N）；

d——压痕两条对角线长度的算术平均值（mm）。

% 试验时，用千分尺测量压痕的对角线长度。 计算出两条对角线长度的平均值后，查GB/T 4340.1-1999附表，得到维氏硬度值。

维氏硬度的测量范围为5~1000HV。 标记方法与布氏硬度相同。 符号前面写有硬度值，符号后面写有试验条件。 对于钢和铸铁，如果试验力保持时间为10-15s，则不需要标记。 例如：

640HV30是指用30kgf（294.2N）试验力并保持10～15秒测得的维氏硬度值为640。

640HV30/20表示以30kgf（294.2N）试验力并保持20s测得的维氏硬度值为640。

维氏硬度的应用范围很广，可以测量从非常软的材料到非常硬的材料。 特别适用于测量零件表面层的硬度，如化学热处理渗透层的硬度测量。 测量结果准确可靠。 但测量维氏硬度值时，需要测量对角线长度，然后查表或计算。 而且，进行维氏硬度测试时，对样品表面质量要求较高，测量效率较低。 因此，维氏硬度没有洛氏硬度好用。

(4)硬度测试的应用

硬度测试和拉伸测试都是测量材料在静载荷下力学性能的方法。 硬度测试时，样品基本不损坏，测试简单、快速，无需特殊样品，可直接在工件上进行测试。 因此在生产中得到广泛应用。 虽然拉伸试验可以准确地测量材料的强度和塑性，但它是一种破坏性试验，因此在生产中不像硬度试验那样广泛应用。 同时，硬度是一项综合力学性能指标，金属表面的局部压痕也能反映材料的强度和塑性。 因此，各种硬度指标常被标注在零件图纸上作为技术要求。 同时，硬度值也对机械零件的耐磨性有直接影响。 钢的硬度值越高，其耐磨性也越高。

三种硬度测量方法有不同的应用范围。 一些常规原材料的布氏硬度测试，数值准确、稳定且易于使用，但存在压痕大的缺点。 洛氏硬度压痕小，缺点是数值不准确。 维氏硬度适用于各种场合。