硬度试验：金属材料力学性能表征的重要试验方法

硬度试验作为一种简化的强度性能检测技术，与拉伸试验、冲击试验、冷弯试验一起构成表征金属材料力学性能的四种基本而重要的试验方法。广泛应用于金属材料的研发和钢铁产品的生产制造。和使用领域已被广泛采用。

根据硬度测试的通用原理，利用特定结构和形状的刚性侵入物体在规定载荷下与样品表面相互作用，利用卸载后材料留下的永久塑性变形信息来表征其“软/硬”强度特性。根据压头的形状和要测量的压痕信息的类型，实验室硬度测试基本上可以分为两类：压痕深度法和压痕表面积法。其中洛氏硬度（HR）试验和布氏硬度（HBW）试验是应用最广泛、典型的两类硬度检测方法。

根据全国钢材标准化技术委员会国家标准制修订项目计划，GB/T 230.1-2018《金属材料洛氏硬度试验第1部分：试验方法》和GB/T 231.1-2018《金属材料布氏硬度试验》 《材料第1部分：试验方法》已更新颁布，分别于2018年12月1日和2019年2月1日实施，因为这两个标准规定的洛氏硬度和布氏硬度试验方法是金属材料的基本试验方法。力学实验室也是众多国家认可实验室（CNAS）认可的基础项目，尽快了解这两个2018年新版标准的更新内容，掌握新标准对实验室人员的新要求非常重要。 、机器、材料、方法、环境，有利于新旧标准的顺利切换，保证金属产品的性能和质量，特别是钢铁冶金上下游客户得到准确、可靠、可追溯、可比较的硬度性能指标。

洛氏和表面洛氏硬度测试标准

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测试原理

GB/T 230.1-2018规定的洛氏硬度是指用金刚石锥体或碳化钨合金球压头在规定的初始试验力F0下压入试样表面，获得测量基准平面，然后施加主试验力F1，经过规定时间后，撤去主试验力，恢复到初始试验力F0，得到残余压痕深度h，如图1所示。h越大，说明材料越软，相应的计算洛氏硬度硬度值越小。

图1 洛氏硬度测试原理示意图

主要试验力可选择如下：表面洛氏硬度试验可采用147.1、294.2、441.3N（即15、30、45kgf）试验力；洛氏硬度测试可采用588.4、980.7、1471N（即60、100、1471N）150kgf）​​试验力。压头形状包括金刚石锥体和 1/16" 和 1/8" 合金球。主试验力与压头的组合可形成HRA、HRC、HRD、…、HRBW、HRFW、HR15TW、HR15N等15种标尺。不同标尺上得到的洛氏硬度值不能直接比较。

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新标准解读

与GB/T 230.1-2009版标准相比，GB/T 230.1-2018主要技术内容变化如下。

表1 洛氏硬度计允许重复性范围及偏差

布氏硬度测试标准

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测试原理

GB/T 231.1-2018规定的布氏硬度是指用一定直径D的碳化钨合金球，以规定的试验力F压入被测材料表面，保持规定的时间达到稳定状态后去除试验力。是测量材料表面压痕直径d，用球形压痕单位面积所承受的载荷来表示硬度值的一种试验方法，如图2所示。

图2 布氏硬度测试原理示意图

布氏硬度测试是根据试验力的不同选择[包括187.5、750、3000、500、1000kg及其他相应的力（即1839、7355、29420、4903、9807N）]和不同直径规格的碳化钨合金球（主要包括1、2.5、5、10毫米（4种），可构成HBW2.5/187.5、HBW5/750、HBW5/1000、HBW10/3000等标尺选择。原则上得到的布氏硬度值对于黑色金属、钢、镍基合金和钛合金材料，建议试验力与压头直径的平方比为30，即F/D2=30。可供选择的标尺有HBW1/30、HBW2.5/187.5、HBW5/750和HBW10/3000，这四种标尺所获得的布氏硬度测试结果可以直接比较，因为布氏硬度提供的试验力高达29420N。 （3000kgf）​​，适用于较大的块状结构材料，宜采用大压头和高载荷秤，即HBW5/750和HBW10/3000，以获得均匀可靠的综合性能参数。

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新标准解读

与GB/T 231.1-2009版标准相比，GB/T 231.1-2018主要技术内容变化如下。

（1）增加了规范性引用文件JJG 150《金属布氏硬度计》，不涉及测试方法的技术变更。

（2）增加了按照附录B检查硬度计状态的要求，并将原GB/T 231.1-2009标准的“资料性附录B”修改为“规范性附录”。对于CNAS认可的实验室，可参考实施以下方案，即按照规范性附录的要求，更新实验室布氏硬度计操作说明书或试验方法操作说明书，并增加每个硬度的示值检查测试方法如下： ：用户在当天使用硬度计前，应对所使用的硬度标尺和范围进行日常检查。使用按 GB/T 231.3 标定的标准硬度块至少压出 1 个压痕。若示值误差在GB/T 231.2（最新有效版本）规定的范围内（如表2），则认为硬度计合格，同时将标准硬度块检验的信息反映在硬度计中。原始记录。

表2 布氏硬度计允许重复性范围及偏差

(3)如果压痕直径超过0.24D~0.6D范围，则应在试验报告中注明压痕直径与压头直径的比值d/D。针对这一变化，根据2.1节布氏硬度测试原理和钢材推荐的F/D2=30比例关系，d/D=0.24~0.6对应的钢材布氏硬度范围为95.5~653HBW，即与ASTM A370对钢材布氏硬度试验的规定类似，即“不建议对硬度值高于650HBW的材料进行布氏硬度试验。此时应废弃并更换压头” ”。

建议对于CNAS认可的实验室，当钢材的布氏硬度值在95.5~650HBW范围之外时，需要在报告备注中给出d/D的具体值。并且当硬度超过650HBW时，应立即检查或更换压头的计量特性，以满足GB/T 231.1-2018和ASTM A370的要求。

(4)明确了压痕直径的光学测量方法，既可以采用手动测量，也可以采用自动测量系统。使用自动测量系统时，建议至少对测试面进行研磨，有条件时可采用镜面抛光以保证精度。可靠识别压痕轮廓并精确测量直径。

(5)明确了舍入规则，即保留3位有效数字，如98.2HBW、220HBW。

(6)将原资料性附录B修改为规范性附录。本条与(2)相同。

(7)修改了与硬度值测量不确定度相关的内容，即资料性附录C，不涉及技术内容的变化。

结论

随着洛氏硬度测试标准GB/T 230.1-2018和布氏硬度测试标准GB/T 231.1-2018修改采用ISO国际标准的颁布实施，我国硬度测试能力已与ISO 6508接轨-1：2016（洛氏硬度测试标准GB/T 231.1-2018）。硬度测试）和 ISO 6506-1:2014（布氏硬度测试）快速接轨。其中，两个新标准特别强调了测量结果的有效性和可追溯性的技术要求，体现在标准中对压头测量特性的检验以及检验中包含的示值的再现性和重复性。硬度计标准块。性检查等

为适应我国基础材料研发和钢铁冶金行业高质量发展的要求，建议国内硬度计制造企业加强与力学检测实验室、校准实验室的沟通和密切合作，以适应与时俱进的传统硬度测试技术。新要求。

选自：《理化测试-物理卷》Vol.55 2019.4

作者简介：方健，宝钢股份中央研究院研发支撑中心教授级高级工程师