金属硬度检测方法.docx

1、金属硬度检测方法金属硬度检测方法 作者：张凤林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

2、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

3、与应用。 1.布氏硬度计（GB/T231.12002）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 / Dh (1-2) 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10 mm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

4、，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

5、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

6、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（13） 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1、2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

7、新标准中表示为0.102 F/D2。 1.4.2规则二，试验后要使压痕直径处于以下范围： 0.24Dd0.6D（1-4） 否则试验结果是无效的,应选择合适的试验力重新试验。人们的大量试验表明，当压头直径在0.24D0.6D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10mm、5mm、2.5mm、1mm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。 标准GB/T231.12002中规定的试验条件如表11所示。 表11布氏硬度试验条件硬度符号球直径D/mm试验力

8、压头球直径平方的比率0.102F/D2试验力F/NHBW10/3000HBW10/1500HBW10/1000HBW10/500HBW10/250HBW10/100HBW5/750HBW5/250HBW5/125HBW5/62.5HBW5/25HBW2.5/187.5HBW2.5/62.5HBW2.5/31.25HBW2.5/15.625HBW2.5/6.25HBW1/30HBW1/10HBW1/5HBW1/2.5HBW1/1101010101010555552.52.52.52.52.51111130151052.51301052.51301052.51301052.512942014710

9、980749032452980.7735524521226612.9245.21839612.9306.5153.261.29294.298.0749.0324.529.807 标准GB/T231.12002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12所示 表12.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）1401401030铜及铜合金20030轻金属及合金801015铅、锡1）对于铸铁的试验，压头球直径一般为2.5，5和10。 标准GB/T231.12002中规定，

10、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23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： 1.4.3.1根据材料种类和硬度范围，按表12选择0.102F/D2值，一般较硬的材料选择较高的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/D230一个值。 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10mm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

11、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0.24Dd0.6D。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： b=KHB (1-5) 式中：b抗拉强度值，MN/m2； K常数，不同材料有不同的数

12、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13表所示。材 料布氏硬度值近似换算关系钢125175175b0.343HB10MN/m2b0.363HB10MN/m2铸铝合金b0.26HB10MN/m2退火黄铜、青铜b0.55HB10MN/m2冷加工后的黄铜、青铜b0.40HB10MN/m2 2. 洛氏硬度计（GB/T230.12004） 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

13、初试验力下测量压痕残余深度h。以压痕残余深度代表硬度的高低。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

14、验。洛氏硬度试验采用1200金刚石圆锥和1.587mm、3.175mm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1.587mm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21所示。 洛氏硬度标尺的选用如表22所示 表21洛氏硬度试验条件 洛氏硬度标尺技术条件洛氏硬度标

15、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AHRA120金刚石圆锥98.07490.3588.42088HRABHRB1.5875mm钢球98.07882.6980.720100HRBCHRC120金刚石圆锥98.07137314712070HRCDHRD120金刚石圆锥98.07882.6980.74077HRDEHRE3.175mm钢球98.07882.6980.770100HREFHRF1.5875mm钢球98.07490.3588.460100HRFGHRG1.5875mm钢球98.07137314713094HRGHHRH3.175mm钢

16、球98.07490.3588.480100HRHKHRK3.175mm钢球98.071373147140100HRK 表面洛氏硬度标尺技术条件表面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15NHR15N120金刚石圆锥29.42117.7147.17094HR15N30NHR30N264.8294.24286HR30N45NHR45N411.9441.32077HR45N15THR15T1.5875mm钢球29.42117.7147.16793HR15T30THR30T264.8294.22982HR30T45THR45T411.944

17、1.31072HR45T 取自国家标准GB/T230.1-2004 注：力值单位9.8N=1kg 表22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A60C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B100B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C150C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D100C铸铁、铝合金、镁合金、轴承合金

18、。1/8钢球E100B退火黄铜、紫铜、铝合金、软钢薄板。1/16钢球F60B铍青铜、磷青铜、可锻铸铁等（HRB值接近100的材料）。1/16钢球G150B铝、锌、铅等软金属。1/8钢球H60B软金属薄材、轴承合金。1/8钢球K150B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15N15NT金刚石压头30N30NT金刚石压头45N45NT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15T15NT1/16钢球30T30NT1/16钢球

19、45T45NTN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。 22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

20、。 23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/T4340.11999） 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

21、，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（）计算： V = 常数试验力/压痕表面积 0.1891 （31） 式中：V维氏硬度符号；试验力，；压痕两对角线、的算术平均值，。 实用中是根据对角线长度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0.0201.400mm。 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1015S。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（30k

22、g）的试验力，保持时间1015S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/硬度符号试验名称 49.03HV5维氏硬度试验1.961 F49.03HV0.2HV5小负荷维氏硬度试验0.09807 F1.961HV0.01HV0.2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

23、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/NHV549.03HV0.21.961HV0.010.09807HV1098.07HV0.32.942HV0.0150.1471HV20196.1HV0.54.903HV0.020.1961HV30294.2HV19.807HV0.0250.2452HV50490.3HV219.61HV0.050.4903HV100980.7HV329.42HV0.10.9807注：.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

24、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

25、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，。 维氏硬度试验的试验力可以小到10F，压痕非常小，特别适合测试薄小材料。图，与硬度值的吻合图3.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.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

26、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m。4努氏硬度计（GB/T.1）41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=0.1021.451式中努氏硬度值；试验力，；压痕投影面积，；压痕长对角线长度，。 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1015，测得的努氏硬度值为640； 640HK0.120试验力为0.9807N，保持20，测得的努氏硬度值为640； 42努氏硬度计的特点： 努氏硬度试验实质上是对显微维氏硬度试验的改进，它采用菱形压头后，压痕细长，在相同的试验力作用下