金属硬度检测方法

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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－ ） 式中：F —— 试验力，N；

„„„„„„ （1-3）

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，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 0.102 F/D2。

1.4.2 规则二，试验后要使压痕直径处于以下范围： 0.24D

„„„„

（1-5） 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 0.24D~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。

标准 GB/T231.1—2002 中规定的试验条件如表 1－1 所示。 表 1－1 布氏硬度试验条件

HBW1/30

1

30 294.2

HBW1/10

1

98.07

10

HBW1/5

1

5

49.03

HBW1/2.5

1 1

2.5

24.52

HBW1/1

1

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

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：

1.4.3.1 根据材料种类和硬度范围，按表 1－2 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/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

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。

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

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 主试验力 总试验力

F0（N） F1（N）

适用范围

硬度标尺 符号 15N 30N 45N 15T 30T 45T

HR15N HR30N HR45N HR15T HR30T HR45T

120°

29.42

117.7 264.8 411.9 117.7 264.8 411.9

F0+ F1（N） 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

注：力值单位 9.8N=1kg

取自国家标准 GB/T230.1-2004

表 2－2 洛氏硬度标尺的选择

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 ≈0.1891 Ｆ／ｄ „„„„（3－1） 式中：ＨV

Ｆ

———— 维氏硬度符号；

―――― ————

试验力，Ｎ；

压痕两对角线ｄ１、ｄ２的算术平均值，ｍｍ。

ｄ

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

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

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

Ｆ

————努氏硬度值； ————试验力，Ｎ；

————压痕投影面积，ｍｍ２；

————压痕长对角线长度，ｍｍ。 Ａ ｄ

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；

640HK0.1／20——试验力为 0.9807N，保持 20Ｓ，测得的努氏硬度值为 640；

4．2 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，长对角线长度约为显微维氏压痕对角线的３倍，测量精度更高，其次，压痕深度只有显微维氏压 痕的一半，可以测试更薄的材料，另外，努氏硬度试验得出的是压痕没有受到弹性回复影响的硬度值，克 服了显微维氏硬度试验因压痕弹性回复而使压痕略有缩小对试验结果的影响，这一点在金属学、金相学研 究中具有更大的优越性。努氏硬度试验没有专门的硬度计，通常是共用显微维氏硬度计，只要更换压头并 改变硬度值的算法即可。

4．3 努氏硬度计的应用 努氏硬度试验主要也是用于金属学、金相学研究。它特别适于测试硬而脆的材料，常被用于测试珐琅、

玻璃、人造金刚石、金属陶瓷及矿物等材料。它还可用于表面硬化层有效深度的测定，用于细小零件、小 面积、薄材料、细线材、刀刃附近的硬度、电镀层及牙科材料硬度的测试。

在显微硬度试验方面，美国通常采用努氏压头和 100ｇ力，而欧州则习惯于采用维氏压头和较大的 500 ｇ力。

5．肖氏硬度计（ＧＢ／Ｔ４３４１—２００１）

5．1 肖氏硬度计的原理

将规定形状的金刚石冲头从固定的高度ｈ0 落在试样表面上，冲头弹起一定高度ｈ，用ｈ与ｈ0 的比值 乘上一个系数就是肖氏硬度值。冲头回弹的越高,试样的硬度值越多。计算公式为：

5．2 肖氏硬度计特点 肖氏硬度试验是一种动态力试验，与布、洛、维等静态力试验法相比，准确度稍差，因测试时的垂直

性，试样表面光洁度等因素的影响，数据分散性较大，其测试结果的比较只限于弹性模量相同的材料。它 对试样的厚度和重量都有一定要求，不适于较薄和较小试样，但是它是一种轻便的手提式仪器，便于现场 测试，其结构简单，便于操作，测试效率高。

5．3 肖氏硬度计的应用 肖氏硬度计便于携带，特别适用于冶金、重型机械行业中的中大型工件，例如大型构件、铸件、锻件、

曲轴、轧辊、特大型齿轮、机床导轨等工件。

6.里氏硬度计（ＧＢ／Ｔ１７３９４－１９９８）

6.1 里氏硬度计原理 用规定质量的冲击体在弹力作用下以一定速度冲击试样表面，用冲头在距离试样表面１ｍｍ处的回弹

速度与冲击速度之比计算出的数值就是里氏硬度。里氏硬度计实际上是肖氏硬度计的改进型，它们测定的 都是冲击体在试样表面经试样塑性变形消耗能量后的剩余能量。

里氏硬度的计算公式如下：

HL=1000×ν /ν

式中：HL ————里氏硬度符号

ν ————球头的冲击速度，m/s；

ν ————球头的反弹速度，m/s。

6.2 里氏硬度计特点： 里氏硬度计仪器轻巧，测试简便，快速，读数方便，适于检测硬度范围很宽的金属材料，并且可以从

不同方向进行测试，非常适于在现场对大型工件、组装件进行硬度测试，比肖氏硬度计有了很大的技术进 步。

它的缺点是这种试验方法在国际上还没有被普遍接受，迄今还没有被国际标准化组织（ISO）采纳，试 验数据在国际上还缺乏来自独立的第三方或国际组织方面的监督与复核。

里氏硬度试验要求试样有一定的质量和厚度，不适于测试小工件。

里氏硬度计主要用于在现场快速测试大型的、组装的、不便移动的、不允许切割试样的工件，用于测 试大型模具、大型锻造件、铸造件，可以灵活地测试大型工件不同部位的硬度，它是大型工件硬度测试上 非常有效实用的检测手段，在国内有取代肖氏硬度计的趋势。

里氏硬度计不能测试表面硬化工件，通过耦合的办法测试小零件往往是不可靠的，目前有被误导测试小零 件的倾向。对于中、小零件应尽量采用国际上通用的静态硬度测试方法。与肖氏硬度试验相同，里氏硬度 试验结果的比较也是仅限于弹性模量相同或相近的材料。

7.韦氏硬度计（ＹＳ／Ｔ４２０－２０００ ＡＳＴＭ Ｂ６４７－１９９４）

7.1 韦氏硬度计原理 一定形状的硬钢压针，在标准弹簧试验力作用下压入试样表面，用压针的压入深度确定材料硬度，定义

0.01mm 的压入深度为一个韦氏硬度单位。韦氏硬度单位表示为 HW。

7.2 韦氏硬度计的特点 韦氏硬度计是小型便携式仪器，它体积小、重量轻、可单手操作，可快速、方便、无损地测试材料硬度，

它不必取样，对操作技能要求不高，非常适于在生产现场对材料进行快速硬度检测。

韦氏硬度计的缺点是灵敏度较差，量程较窄，全量程只有 20 个刻度，因此通常一台仪器只能测试 1~2 种金属材料。

7.3 韦氏硬度计的应用 韦氏硬度计采用两种不同形状的压针，两种不同的试验力，它们的组合构成三种不同型号的仪器，分

别用于测试铝合金、软铜、硬铜、超硬铝合金和软钢。韦氏硬度计适于测试具有两个平行面的材料，例如 管材、板材和型材，材料厚度最大可达到 13mm。

韦氏硬度计非常适于在生产现场对成批产品进行逐件检测，尽管它的灵敏度不高，但是作为生产控制 与合格判定仪器已经能够满足要求，正是由于这个原因，韦氏硬度计在铝加工行业得到了相当广泛的应用。

８.巴氏硬度计

８.1 巴氏硬度计的原理 一定形状的硬钢压针，在标准弹簧试验力作用下，压入试样表面，用压针的压入深度确定材料硬度，

定义每压入 0.0076mm 为一个巴氏硬度单位。巴氏硬度单位表示为 HBa。

８.2 巴氏硬度计的特点 巴氏硬度计是一种可单手操作的便携式仪器，它体积小，重量轻，可快速、方便、无损地测试材料硬

度，它不必取样，对操作技能要求不高，非常适于在生产现场和仓库对材料进行快速检验。

巴氏硬度计有 100 个刻度，精度比韦氏硬度计高，它的使用不受材料厚度的限制，可以测试更厚的材 料，巴氏硬度计有一个支脚，测量时要使之与压针尖端处于同一水平面内，以保证压针垂直压下，为了垫 平这个支脚，在测试小尺寸工件时会有些不便。

8.3 巴氏硬度计的应用 巴氏硬度计是韦氏硬度计的良好补充，它主要用于测试铝及铝合金，也可以测试其他软金属及玻璃钢。

它可测试韦氏硬度计无法测试的超大材料、超厚材料、棒材、大型锻件、铸件、组装件、纯铝及低硬度铝 合金。 巴氏硬度值可通过查表，换算成布、洛、维、韦等其他硬度

值。