金属硬度检测方法.docx
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金属硬度检测方法
•金属硬度检测方法
•
•硬度是评定金属材料力学性能最常用的指标之一。
硬度的实质是材料抵抗另一较硬材料压入的能力。
硬度检测是评价金属力学性能最迅速、最经济、最简单的一种试验方法。
硬度检测的主要目的就是测定材料的适用性，或材料为使用目的所进行的特殊硬化或软化处理的效果。
对于被检测材料而言，硬度是代表着在一定压头和试验力作用下所反映出的弹性、塑性、强度、韧性及磨损抗力等多种物理量的综合性能。
由于通过硬度试验可以反映金属材料在不同的化学成分、组织结构和热处理工艺条件下性能的差异，因此硬度试验广泛应用于金属性能的检验、监督热处理工艺质量和新材料的研制。
金属硬度检测主要有两类试验方法。
一类是静态试验方法，这类方法试验力的施加是缓慢而无冲击的。
硬度的测定主要决定于压痕的深度、压痕投影面积或压痕凹印面积的大小。
静态试验方法包括布氏、洛氏、维氏、努氏、韦氏、巴氏等。
其中布、洛、维三种试验方法是应用最广的，它们是金属硬度检测的主要试验方法。
这里的洛氏硬度试验又是应用最多的，它被广泛用于产品的检验，据统计，目前应用中的硬度计
70%是洛氏硬度计。
另一类试验方法是动态试验法，这类方法试验力的施加是动态的和冲击性的。
这里包括肖氏和里氏硬度试验法。
动态试验法主要用于大型的，不可移动工件的硬度检测。
各种金属硬度计就是根据上述试验方法设计的。
下面分别介绍基于各种试验方法的硬度计的原理、特点与应用。
1.布氏硬度计（GB/T231.1—2002）
1.1布氏硬度计原理
对直径为D的硬质合金球压头施加规定的试验力，使压头压入试样表面，经规定的保持时间后，除去试验力，测量试样表面的压痕直径d，布氏硬度用试验力除以压痕表面积的商来计算。
HB=F/S………………（1-1）
=F/πDh………………（1-2）
=0.102×2F/πDh（D－）………………（1-3）式中：
F——试验力，N；
S——压痕表面积，mm；D——球压头直径，mm；h——压痕深度，mm；d——压痕直径，mm。
1、2布氏硬度计的特点：
布氏硬度试验的优点是其硬度代表性好，由于通常采用的是10mm直径球压头，3000kg试验力，其压痕面积较大，能反映较大范围内金属各组成相综合影响的平均值，而不受个别组成相及微小不均匀度的影
响，因此特别适用于测定灰铸铁、轴承合金和具有粗大晶粒的金属材料。
它的试验数据稳定，重现性好，精度高于洛氏，低于维氏。
此外布氏硬度值与抗拉强度值之间存在较好的对应关系。
布氏硬度试验的缺点是压痕较大，成品检验有困难，试验过程比洛氏硬度试验复杂，测量操作和压痕测量都比较费时，并且由于压痕边缘的凸起、凹陷或圆滑过渡都会使压痕直径的测量产生较大误差，因此要求操作者具有熟练的试验技术和丰富经验，一般要求由专门的实验员操作。
1.3布氏硬度计的应用布氏硬度计主要用于组织不均匀的锻钢和铸铁的硬度测试，锻钢和灰铸铁的布氏硬度与拉伸试验有着
较好的对应关系。
布氏硬度试验还可用于有色金属和软钢，采用小直径球压头可以测量小尺寸和较薄材料。
布氏硬度计多用于原材料和半成品的检测，由于压痕较大，一般不用于成品检测。
1.4布氏硬度试验条件的选择如同洛氏硬度试验关于标尺的选择一样，布氏硬度试验也要遇到试验条件的选择问题，即试验力F和
压头球直径D的选择。
这种选择不是任意的，而是要遵循一定的规则，并且要注意试验力和压头球直径的合理搭配，应用起来比洛氏硬度试验略显复杂。
布氏硬度试验最常用的试验条件是采用10mm直径的球压头，3000kg试验力。
这一条件最能体现布氏硬度的特点。
但是由于试样材质不同，硬度不同，试样大小，薄厚也不同，一种试验力，一种压头自然不能满足要求。
在试验力和压头球直径的选择方面需要遵循的规则有2个。
1.4.1规则一，要使试验力和球压头直径的平方之比为一个常数。
即F/D2=F1/D12=F2/D22=K…………（１－４）
这个规则来源于相似律。
根据相似律，不同直径的球压头D1、D2在不同的试验力F1、F2作用下压入试样表面，压痕直径d1、d2是不同的，但是只要压入角Ø1、Ø2相同，压痕就具有相似性。
这时试验力和压头球直径的平方之比就是一个常数。
在这种条件下，采用不同的试验力和不同直径的球压头，在同一试样上测得的硬度值是相同的，在不同的试样上测得的硬度值是可以相互比较的。
试验力与压头球直径平方之比在采用公斤力的旧标准中表示为F/D2，在采用牛顿力的新标准中表示为
0.102F/D2。
1.4.2规则二，试验后要使压痕直径处于以下范围：
0.24D人们的大量试验表明，当压头直径在
0.24D~0.6D之间时，测得的硬度值与试验力大小无关。
布氏硬度试验可选择的试验力从3000kg到1kg大约有20个级别。
布氏硬度试验可选择的压头直径为Ø10mm、Ø5mm、Ø2.5mm、Ø1mm共4种。
布氏硬度试验可选择的0.102F/D2值为30、15、10、5、2.5、1共6种。
表1－1布氏硬度试验条件
硬度符号
球直径D/mm
试验力－压头球
直径平方的比率
0.102F/D2
试验力F/N
HBW10/3000
HBW10/1500
HBW10/1000
HBW10/500
HBW10/250
HBW10/100
HBW5/750
HBW5/250
HBW5/125
HBW5/62.5
HBW5/25
HBW2.5/187.5
HBW2.5/62.5
HBW2.5/31.25
HBW2.5/15.625
HBW2.5/6.25
10
10
10
10
10
10
5
5
5
5
5
2.5
2.5
2.5
2.5
2.5
30
15
10
5
2.5
1
30
10
5
2.5
1
30
10
5
2.5
1
29420
14710
9807
4903
2452
980.7
7355
2452
1226
612.9
245.2
1839
612.9
306.5
153.2
61.29
HBW1/301
HBW1/101
HBW1/51
HBW1/2.51
HBW1/11
30
10
5
2.5
1
294.2
98.07
49.03
24.52
9.807
标准GB/T231.1—2002中规定试验力和压头直径平方之比（0.102F/D2）应按材料的种类和硬度范围来
选择，如表1－2所示
表1－2.试验力—压头直径平方之比的选择
材料
布氏硬度
HRW
试验力-压头球直径平方的比率
0.102F/D2
钢、镍合金、钛合金
30
铸铁1）
<140
≥140
10
30
铜及铜合金
<35
5
35~200
10
>200
30
轻金属及合金
<35
2.5
35~80
5
10
15
>80
10
15
铅、锡
1
１）对于铸铁的试验，压头球直径一般为2.5ｍｍ，5ｍｍ和10ｍｍ。
标准GB/T231.1—2002中规定，对于钢只有一种选择，就是0.102F/D2=30，对于其他材料，根据其不
同的硬度范围，有2~3种0.102F/D2值可供选择。
1.4.3布氏硬度试验条件的选择过程：
0.102F/D2值，较软的材料选择较低的0.102F/D2值，钢铁材料只选择0.102F/D2＝30一个值。
1.4.3.2根据试样的厚度和大小选择压头直径D和试验力F，对于较厚、较大的试样，应尽量选用Ø10mm的压头和相应的试验力，因为这样最能体现布氏硬度计的特点。
对于较薄、较小的试样，应选用较小的压头和较小的试验力。
以保证满足布氏硬度试验关于“试样厚度应大于压痕深度的8倍”的要求。
1.4.3.3完成上述选择之后应进行初步试验，确定压痕直径是否满足0.24D如果满足这一要求，就可进行正式测试，并查表得到布氏硬度值。
如果不满足这一要求，当压痕直径小于0.24D时，说明压痕过小，应重新选择大一些的试验力。
当压痕直径大于0.6D时，说明压痕过大，应重新选择小一些的试验力。
1.5布氏硬度与抗拉强度的关系由于布氏硬度试验能够反映出试样较大范围内的综合性能，因此布氏硬度与材料的其他机械性能关系
密切，尤其是与抗拉强度存在近似的换算关系：
σb=K·HB………………（1-6）式中：
σb—抗拉强度值，MN/m2；K—常数，不同材料有不同的数值。
通过测试布氏硬度可以间接得到材料的抗拉强度。
这一点在生产实际中具有重大意义。
可以通过测量硬度的方法得到近似的强度值，这样既可以提高工作效率，又可以节省材料。
部分金属材料的换算关系如1－3表所示。
材料
布氏硬度值
近似换算关系
钢
125~175
＞175
σb≈0.343HB×10MN/m2
σb≈0.363HB×10MN/m2
铸铝合金
σb≈0.26HB×10MN/m2
退火黄铜、青铜
σb≈0.55HB×10MN/m2
冷加工后的黄铜、青铜
σb≈0.40HB×10MN/m2
2.洛氏硬度计（GB/T230.1—2004）
2.1洛氏硬度计原理
在规定条件下，将压头（金刚石圆锥、钢球或硬质合金球）分2个步骤压入试样表面。
卸除主试验力后，在初试验力下测量压痕残余深度h。
以压痕残余深度ｈ代表硬度的高低。
1—在初始试验力F0下的压入深度；2—在总试验力F0+F1下的压入深度；3—去除主试验力F1后的弹性回复深度；4—残余压入深度h；5—试样表面；6—测量基准面；7—压头位置
洛氏硬度值按下式计算：
N－常数，对于A、C、D、N、T标尺，N=100；其他标尺，N=130；h－残余压痕深度，mm；S－常数，对于洛氏硬度，S=0.002mm，对于表面洛氏硬度，S=0.001mm。
每一洛氏硬度单位对应的压痕深度，洛氏硬度为0.002mm，表面洛氏硬度为0.001mm。
压痕越浅，硬度越高。
洛氏硬度试验分为2种，一种是普通洛氏硬度试验，一种是表面洛氏硬度试验。
洛氏硬度试验采用1200金刚石圆锥和Ø1.587mm、Ø3.175mm钢球三种压头，采用60kg、100kg、150kg三种试验力，它们共有九种组合，对应于洛氏硬度的九个标尺，即HRA、HRB、HRC、HRD、HRE、HRF、HRG、HRH、HRK。
表面洛氏硬度试验采用1200金刚石圆锥和Ø1.587mm钢球2种压头，采用15kg、30kg、45kg三种试验力，它们共有六种组合，对应于表面洛氏的六个标尺，即HR15N、HR30N、HR45N、HR15N、HR30T、HR45T。
洛氏硬度试验条件如表2－1所示。
洛氏硬度标尺的选用如表2－2所示表2－1洛氏硬度试验条件
洛氏硬度标尺技术条件
洛氏硬度标尺
硬度
符号
压头类型
初试验力
F0（N）
主试验力
F1（N）
总试验力
F0+F1（N）
适用范围
A
HRA
120°金刚石圆
锥
98.07
490.3
588.4
20～88HRA
B
HRB
1.5875mm钢球
98.07
882.6
980.7
20～100HRB
C
HRC
120°金刚石圆
锥
98.07
1373
1471
20～70HRC
D
HRD
120°金刚石圆
锥
98.07
882.6
980.7
40～77HRD
E
HRE
3.175mm钢球
98.07
882.6
980.7
70～100HRE
F
HRF
1.5875mm钢球
98.07
490.3
588.4
60～100HRF
G
HRG
1.5875mm钢球
98.07
1373
1471
30～94HRG
H
HRH
3.175mm钢球
98.07
490.3
588.4
80～100HRH
K
HRK
3.175mm钢球
98.07
1373
1471
40～100HRK
表面洛氏硬度标尺技术条件
表面洛氏硬度
压头类型
初试验力
F0（N）
主试验力
F1（N）
总试验力
适用范围
硬度标尺
符号
F0+F1（N）
15N
30N
45N
15T
30T
45T
HR15N
HR30NHR45NHR15THR30THR45T
120°
29.42
117.7
264.8
411.9
117.7
264.8
411.9
147.1
294.2
441.3
147.1
294.2
441.3
70～94HR15N
42～86HR30N
20～77HR45N
67～93HR15T
29～82HR30T
10～72HR45T
金刚石圆锥
1.5875mm
29.42
钢球
取自国家标准GB/T230.1-2004注：
力值单位9.8N=1kg
表2－2洛氏硬度标尺的选择
被测材料
压头
标尺
总试验力
（kg）
鼓轮读取刻度
高硬度或薄硬材料。
如硬质合金、
硬化薄钢带、渗碳后的淬硬钢。
金刚石压头
A
60
C
中低硬度材料。
如退火后的中低碳
钢、不锈钢、铜合金、硬铝合金、可锻铸铁等。
是应用较广的洛氏硬度标尺。
1/16＂钢球
B
100
B
淬火及低温回火的一般钢材、冷硬
铸铁、珠光体可锻铸铁、钛合金等及硬度值超过HRB100的材料。
是应用最广的洛氏硬度标尺。
，
金刚石压头
C
150
C
中等渗层表面硬化钢、薄硬钢板、
珠光体可锻铸铁。
金刚石压头
D
100
C
铸铁、铝合金、镁合金、轴承合金
。
1/8＂钢球
E
100
B
退火黄铜、紫铜、铝合金、软钢薄
板。
1/16＂钢球
F
60
B
铍青铜、磷青铜、可锻铸铁等（HRB
值接近100的材料）。
1/16＂钢球
G
150
B
铝、锌、铅等软金属。
1/8＂钢球
H
60
B
软金属薄材、轴承合金。
1/8＂钢球
K
150
B
洛氏硬度计不易检测的渗碳钢、渗
氮钢、表面淬火钢等浅层表面硬化钢件；小零件；厚度薄至0.15mm的硬钢带及要求压痕尽量小的高硬度工件。
金刚石压头
15N
15
N—T
金刚石压头
30N
30
N—T
金刚石压头
45N
45
N—T
软钢、不锈钢、铜合金、铝合金薄
板带材料、薄壁管材、小零件、电镀层及要求压痕尽量小的中、低硬度工件。
1/16＂钢球
15T
15
N—T
1/16＂钢球
30T
30
N—T
1/16＂钢球
45T
45
N—T
N标尺用于类似洛氏标尺C、A和D检测的材料，但仅限于薄小试样和浅硬化深度的试样。
T标尺用于类似洛氏标尺B、F和G检测的材料，但仅限于薄小试样和较软且覆镀层较浅的试样。
2．2洛氏硬度计的特点洛氏硬度试验操作简单，测量迅速，可在指示表上直接读取硬度值，工作效率高，成为最常用的硬度
试验方法之一。
由于试验力较小，压痕也小，特别是表面洛氏硬度试验的压痕更小，对大多数工件的使用无影响，可直接测试成品工件，初试验力的采用，使得试样表面轻微的不平度对硬度值的影响较小，因此，此仪器非常适于在工厂使用，适于对成批加工的成品或半成品工件进行逐件检测，该试验方法对测量操作的要求不高，非专业人员容易掌握。
2．3洛氏硬度计的应用
洛氏硬度试验采用了3种压头，6种试验力，根据金属材料材质、硬度范围及尺寸的不同，共有15个标尺可供选择，可以测试从很软到很硬几乎全部常见的金属材料，应用范围十分广阔。
洛氏硬度计在工业生产中得到了广泛应用，成为检验产品质量，是确定合理加工工艺的主要手段。
可测试各种黑色和有色金属，测试淬火钢、回火钢、退火钢、表面硬化钢、各种厚度的板材、硬质合金材料、粉末冶金材料、热喷涂层的硬度。
表面洛氏硬度计用于测试薄板金属、薄壁管材、表面硬化钢和小零件的硬度。
3.维氏硬度计（GB/T4340.1—1999）
3.1维氏硬度计原理采用正四棱锥体金刚石压头，在试验力作用下压入试样表面，保持规定时间后，卸除试验力，测量试
样表面，压痕对角线长度。
试验力除以压痕表面积的商就是维氏硬度值。
维氏硬度值按式（３－１）计算：
ＨV=常数×试验力/压痕表面积≈0.1891Ｆ／ｄ…………（3－1）式中：
ＨV————维氏硬度符号；
Ｆ――――试验力，Ｎ；
ｄ————压痕两对角线ｄ１、ｄ２的算术平均值，ｍｍ。
实用中是根据对角线长度ｄ通过查表得到维氏硬度值。
国家标准规定维氏硬度压痕对角线长度范围为0.020~1.400mm。
3.2维氏硬度的表示方法
维氏硬度表示为HV，维氏硬度符号HV前面的数值为硬度值，后面为试验力值。
标准的试验保持时间为10~15S。
如果选用的时间超出这一范围，在力值后面还要注上保持时间。
例如：
600HV30—表示采用294.2N（30kg）的试验力，保持时间10~15S时得到的硬度值为600。
600HV30/20—表示采用294.2N（30kg）的试验力，保持时间20S时得到的硬度值为600。
3.3维氏硬度试验的分类和试验力选择维氏硬度试验按试验力大小的不同，细分为三种试验，即：
维氏硬度试验、小负荷维氏硬度试验和显
微维氏硬度试验。
见表3-1
表3-1维氏硬度试验的三种方法
试验力范围/Ｎ
硬度符号
试验名称
Ｆ49.03
HV5
维氏硬度试验
1.961F<49.03
HV0.2~小负荷维氏硬度试验
0.09807F<1.961
HV0.01~显微维氏硬度试验
维氏硬度试验可选用的试验力值很多，见表3-2。
表3-2推荐的维氏硬度试验力
维氏硬度试验
小负荷维氏试验试验
显微维氏硬度试验
硬度符号
试验力/N
硬度符号
试验力/N
硬度符号
试验力/N
HV5
49.03
HV0.2
1.961
HV0.01
0.09807
HV10
98.07
HV0.3
2.942
HV0.015
0.1471
HV20
196.1
HV0.5
4.903
HV0.02
0.1961
HV30
294.2
HV1
9.807
HV0.025
0.2452
HV50
490.3
HV2
19.61
HV0.05
0.4903
HV100
980.7
HV3
29.42
HV0.1
0.9807
注：
１.维氏硬度试验可使用大于980.7N的试验力；
2.显微维氏试验力为推荐值。
试验力的选择要根据试样种类、试样厚度和预期的硬度范围而定。
标准规定，试样或试验层的厚度至
少为压痕对角线长度的1.5倍。
试验后试样背面不应出现可见的变形痕迹。
3.4维氏硬度试验的优点维氏硬度试验的压痕是正方形，轻廓清晰，对角线测量准确，因此，维氏硬度试验是常用硬度试验方
法中精度最高的，同时它的重复性也很好，这一点比布氏硬度计优越。
维氏硬度试验测量范围宽广，可以测量目前工业上所用到的几乎全部金属材料，从很软的材料（几个维氏硬度单位）到很硬的材料（3000个维氏硬度单位）都可测量。
维氏硬度试验最大的优点在于其硬度值与试验力的大小无关，只要是硬度均匀的材料，可以任意选择试验力，其硬度值不变。
这就相当于在一个很宽广的硬度范围内具有一个统一的标尺。
这一点又比洛氏硬度试验来得优越。
在中、低硬度值范围内，在同一均匀材料上，维氏硬度试验和布氏硬度试验结果会得到近似的硬度值。
例如，当硬度值为400以下时，ＨＶ≈ＨＢ，。
维氏硬度试验的试验力可以小到10ｇF，压痕非常小，特别适合测试薄小材料。
图３－２，ＨＶ与ＨＢ硬度值的吻合图
3.５维氏硬度试验的缺点维氏硬度试验效率低，要求较高的试验技术，对于试样表面的光洁度要求较高，通常需要制作专门的试样，
操作麻烦费时，通常只在实验室中使用。
3.６维氏硬度计的应用维氏硬度试验主要用于材料研究和科学试验方面
小负荷维氏硬度试验主要用于测试小型精密零件的硬度，表面硬化层硬度和有效硬化层深度，镀层的表面硬度，薄片材料和细线材的硬度，刀刃附近的硬度，牙科材料的硬度等，由于试验力很小，压痕也很小，试样外观和使用性能都可以不受影响。
显微维氏硬氏试验主要用于金属学和金相学研究。
用于测定金属组织中各组成相的硬度，用于研究难熔化合物脆性等。
显微维氏硬度试验还用于极小或极薄零件的测试，零件厚度可薄至３µm。
4．努氏硬度计（GB/T１８４４９.1—２００１）
4．1努氏硬度计的原理：
努氏硬度试验是一种显微硬度试验，其原理与显微维氏硬度试验基本相同，它采用菱形锥体金刚石压头，在检测力作用下压入试样表面，保持规定0的时间后卸除试验力,测量长对角线的长度，计算压痕投影面积，试验力除以压痕投影面积的商就是努氏硬度值。
努氏硬度值由下式计算：
HK=0.102Ｆ／Ａ＝1.451Ｆ／ｄ２
式中ＨＫ————努氏硬度值；Ｆ————试验力，Ｎ；
Ａ————压痕投影面积，ｍｍ２；
ｄ————压痕长对角线长度，ｍｍ。
努氏硬度的表示方法为：
符号HK之前为硬度值，HK之后为试验力。
例如：
640HK0.1——试验力为0.9807N，保持10～15Ｓ，测得的努氏硬度值为640；
640HK0.1／
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