金属材料的硬度试验

2.2.2　金属材料的硬度试验

硬度是衡量金属材料软硬程度的指标。它是表征材料强度与塑性的一个综合判据。硬度试验设备简单，操作迅速方便，又可直接地、非破坏性地在零件或工具上进行试验。根据所测硬度值可近似估计出材料的抗拉强度和耐磨性。此外，硬度与材料的切削加工性、焊接性、冷成形性能间存在着一定联系，可作为选择加工工艺时的参考。因此，在工程上被广泛地用以检验原材料和热处理件的质量，鉴定热处理工艺的合理性以及作为评定工艺性能的参考。

硬度试验法很多，一般可分为三类：压力法、划痕法、回跳法等。目前机械制造生产中应用最广泛的是压力法，有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。

1．布氏硬度

用一定大小的试验力F，把直径为D的淬火钢球或硬质合金球压入被测金属的表面，如图2-4所示，保持规定时间后卸除试验力，测量试样表面的压痕直径d，并计算出压痕球缺表面积S所承受的平均应力值，此值即为布氏硬度值，以HB表示。当压头为淬火钢球时，硬度符号为HBS，适用于布氏硬度值低于450的金属材料；当压头为硬质合金球时，硬度为HBW，适用于布氏硬度值为450～650的金属材料。

当试验力F单位为kgf时

当试验力F单位为N时

因此布氏硬度的单位为kgf/mm²（1kgf/mm²≈9.81N/mm²）或N/mm²，习惯上只写明硬度的数值而不标出单位。硬度值位于符号前面，符号后面的数值依次为压头直径、载荷大小及载荷保持时间（10～15s）不标注。例如：500HBW5/750表明用直径为5mm硬质合金球在7360N（750kgf）载荷作用下保持10～15s，布氏硬度为500。120HBS10/1000/30表示用直径为10mm钢球，在9810N（1000kgf）载荷作用下保持30s，布氏硬度值为120。

由于金属材料有硬有软，被测工件有厚有薄，有大有小，如果只采用一种标准的试验力F和压头直径D，就会出现对某些材料不适应的现象。因此在生产中进行布氏硬度试验时，要求能使用不同大小的试验力和压头直径。对同一种材料采用不同的F和D进行试验时，能否得到同一的布氏硬度值，关键在于压痕几何形状的相似，即建立F和D的某种选配关系，以保证布氏硬度的不变性。

图2-4　布氏硬度试验原理

国标（GB 231-2002）规定，可根据金属材料的种类和布氏硬度范围，按表2-2选定F/D²值。从而确定D值、F值和保持时间。

由硬度计算公式可见，当载荷F与钢球直径D选定时，硬度值只与压痕直径d有关。实际工作中，一般用刻度放大镜测出压痕直径d，然后根据d值查表，即可求得所测材料硬度值。

表2-2　布氏硬度试验　F/D²值的选择

（注：试验条件允许时，应尽量选用直径为10mm的球和无括号的F/D²值。）

2．洛氏硬度

洛氏硬度试验法是目前工厂中应用最广的试验方法。它是用一个锥顶角为120°的金刚石圆锥体或直径为Ø1.588mm的淬火钢球为压头，在规定载荷作用下压入被测金属表面，通过测定压痕深度来确定硬度值。为了能用同一硬度计测定从极软到极硬材料的硬度，可采用不同的压头和载荷，从而组成了多种不同的洛氏硬度标尺，国家标准规定了A、B、C、D、E、F、G、H、K共9种标尺，其中A、B、C、D标尺应用最广。图2-5为洛氏硬度试验示意图。

图2-5　洛氏硬度试验原理

（a）HR（A、C、D）标尺；（b）HRB标尺

其中h₀为施加主试验力前在初始试验力下的压痕深度，单位mm；h₁为主试验力下的压痕增量，单位为mm；e为去除主试验力后，在初始试验力下的残余压痕深度增量，用0.002mm为单位表示。洛氏硬度的计算公式

HR（A、C、D）＝100－e

HRB=130－e

国家标准中规定了HR之前的数字为硬度值，符号之后的为标尺类型，例如50HRC表示标尺C下测定的洛氏硬度为50。表2-3为四种标尺试验条件和应用范围。

洛氏硬度试验法的优点是操作迅速简单，由于压痕较小，故对工件损伤较小，并可在工件表面或较薄的金属上进行试验。其缺点是因压痕较小，对组织比较粗大且不均匀的材料测得的硬度不够准确。

表2-3　常用四种洛氏硬度的试验条件及应用

3．维氏硬度

洛氏硬度试验虽可采用不同的标尺来测定由极软到极硬金属材料的硬度，但不同标尺的硬度值间没有简单的换算关系，使用上很不方便。为了能在同一硬度标尺上测定由极软到极硬金属材料的硬度值，特制定了维氏硬度试验法。

维氏硬度的试验原理基本上和布氏硬度试验相同。图2-6为维氏硬度试验原理示意图。

它是用一个相对面夹角为136°的金刚石正棱锥体压头，在规定载荷F作用下被测试样表面，保持一定时间后卸载，测量压痕对角线长度d，进而计算出压痕表面积，最后求出压痕表面积上的平均压力，即为金属的维氏硬度，用符号HV表示。在实际测量中，并不需要进行计算，而是根据所测d值直接查表得到所测硬度值。

图2-6　维氏硬度试验原理

维氏硬度表示方法为：符号HV前面为硬度值，HV后面数值依次表示载荷和载荷保持时间（保持时间为10～15s时不标注），单位一般不标注。例如640HV30表示在294N（30kgf）载荷作用下保持10～15s测定的维氏硬度值为640；640HV30/20表示在294N（30kgf）载荷作用下保持20s测定的维氏硬度值为640。

维氏硬度试验法加载小、压入深度浅，适用于测试零件表面淬硬层及化学热处理法的表面层（如渗碳层、渗氮层等），当试验力小于1.96N时，又称显微硬度试验法；同时维氏硬度是一个连续一致的标尺，硬度值不随载荷变化而变化；但维氏硬度试验法测定比较麻烦，工作效率不如洛氏硬度试验法高。