金属材料硬度测试方法知多少？维氏硬度应用及标准解析

金属材料硬度测试方法知多少？维氏硬度应用及标准解析

硬度属于金属材料关键的力学性质，硬度检测是探究材料力学性质、决定加工流程以及确保产品合格度的关键措施。常见的硬度检测方式包括布氏硬度测试、洛氏硬度测试、维氏硬度测试、努氏硬度测试、肖氏硬度测试以及里氏硬度测试。维氏硬度测试能够判断物质坚硬程度，并且可以清晰地显示金属因化学构成、组织构造、加热处理方法及冷却变形的不同而产生的区别，因此在材料分析、生产环节品质管理和成品质量检测等方面被普遍采用。维氏硬度检测规范体系包含三项主要标准，分别是检测流程规定，硬度测量仪器的检测与校准要求，以及标准硬度块的标定方法，常见的维氏硬度检测规范参见表1。

Table 1. 常用的维氏硬度试验标准

试验方法

硬度计检验和校准

标准硬度块标定

GB/T 4340.1—2024《 金属材料 维氏硬度试验 第1部分：试验方法》等同采用ISO 6507-1:2023

GB/T 4340.2—2012《金属材料 维氏硬度试验 第2部分：硬度计的检验与校准》依据ISO 6507-2:2005修改采用

GB/T 4340.3—2012 《金属材料 维氏硬度试验 第3部分：标准硬度块的标定》是依据ISO 6507-3:2005修改采用的标准文件

JJG 151—2006《金属维氏硬度计检定规程》

JJG 148—2006 《标准维氏硬度块检定规程》

ISO 6507-1:2023《金属材料 维氏硬度检测 第1部分：检测方法》

ISO 6507-2:2018《金属材料 维氏硬度试验 第二部分：硬度仪器的检测与校准》

ISO 6507-3:2018《金属材料 维氏硬度试验 第三部分：标准硬度块的分度》

EN ISO 6507-1:2023《金属材料 维氏硬度检测 第1部分：检测方法》

金属材料维氏硬度试验第2部分，涉及硬度计的检验与校准，该标准编号为EN ISO 6507-2:2018

金属材料维氏硬度试验第3部分标准硬度块标定规范EN ISO 6507-3:2018

ASTM E92-23《金属材料 维氏硬度与努氏硬度测试规程》

附录A1 维氏和努氏硬度计的检验

附录A2 标准维氏和努氏硬度计

附录A3 维氏和努氏压头的标定

附录A4 标准维氏和努氏硬度块的标定

JIS Z 2244-1:2024《维氏硬度检测 第1部分：检测方法》(ISO 6507-1:2023，经过调整后采用)

JIS B 7725:2020《维氏硬度测试 硬度仪的检测与校准》（ISO 6507-2:2018，经过修订采用）

JIS B 7735:2020《维氏硬度试验 标准块的校准》依据ISO 6507-3:2018修订而来

根据表1的信息：除了ASTM标准之外，日本、欧洲以及我国这些国家大多采用ISO标准，不过欧洲的EN和日本的JIS已经采用了最新的ISO标准版本，但我国仅试验方法标准采用了最新的ISO标准，硬度计的检测和校准以及标准硬度块的标定工作尚未进行更新，而且考虑到实际应用中的历史因素，国内力学实验室在检测和校准硬度计与标准硬度块时，仍然依据JJG 151—2006和JJG 148—2006检定规程，这两种规程的使用次数超过了GB/T 4340.2—2024和GB/T 4340.3—2012标准。

CNAS-CL01-A011:2018 《检测和校准实验室能力认可准则在金属材料检测领域的应用说明》里7.2.1.1条款说明：进行力学性能检测时若采用不同标准，需留意各标准间的不同点，涵盖试样规格和准确度、对仪器的需求、试验流程的规范、计算数据取舍等细节。针对这一目标，作者特意挑选了当前通行的ASTM E92-23、ISO 6507.1:2023以及GB/T 4340.1—2024三个标准作为分析对象，同时将力学实验室普遍使用的HV1和HV10两种设备作为具体参照物，通过对比它们在硬度计和标准硬度块规格、试样条件、日常维护与阶段性校验、压痕检测等环节的不同之处，展开深入的比较研究。

不同国家和地区通行的维氏硬度检测规范存在区别,首先体现在硬度测量设备方面,其次也牵涉到标准硬度块的规格要求。

维氏硬度检测对硬度仪和基准硬度块的规范主要依据硬度仪检测/校准准则，以及基准硬度块标定规范来明确。ISO、GB和ASTM标准体系里头，压痕测量允许误差、示值误差和对角线测量值重复性的解释各不相同，有的拿硬度HV来算，有的按压痕对角线长度d来算，为了让这三者方便对比，我在比较不同标准差异时，把它们都改成用硬度来表示（参见表2和表3）。依据GB/T 4340.2—2012标准，重复性数据需转换成硬度形式体现。误差值依照ISO 6507-2:2018表5公式进行核算。参考ASTM E92-23附录A1，A2，A3标准，示值误差与重复性数据同样需折算为硬度指标。

Table 2. 维氏硬度计要求差异

Table 3. 标准硬度块的差异

根据表2的内容可以明确：GB/T 4340.1—2024和ISO 6507.1:2023这两项标准对硬度测量仪器的规定大体相同，但它们与ASTM E92-23标准的规定存在不同之处。压痕测量容许偏差的规范，ASTM E92-23的限定比GB/T 4340.2—2012或JJG 151—2006更为宽松；在指示误差和重复性方面，依据不同的标尺或硬度区间，ASTM E92-23的规范与GB/T 4340.2—2012或JJG 151—2006存在差异，彼此间有高有低。

根据表3的信息：维氏标准硬度块的校准周期，GB/T 4340.3—2012和ISO 6507-3:2018这两个标准的要求是五年一次，JJG 148—2006这个在实际中应用很普遍的标准则规定一年一次，而ASTM E92-23标准对此没有做出限定；标准硬度块的压痕尺寸要求，GB/T 4340.1—2024附录D里对硬度计、对角线长度测量系统以及压头的期间核查做了说明，做试验时需要挑选合适的标尺，按照GB/T 4340.3—2012进行校准，并且要选用与所用硬度级别相近的标准硬度块，现行最新有效的GB/T 4340.3—2012标准中8.3.e）条款明确，标准硬度块证书上必须包含“关于标准压痕的位置以及所测对角线长度的平均值等资料”；ISO 6507-3:2018的10.e）条款和ASTM E92-23附录A4“标准维氏与努氏硬度块的标定”中A 4.8.1.1部分也规定，标准硬度块证书上应记录“每个压痕的对角线长度的平均值和位置”。而依据JJG 148—2006的检定证明，里面仅列出了标准数值和均匀性，没有提及“标准压痕”的具体要求，这类维氏硬度标准件无法实现压痕检测设备的间接校验作用，不符合GB/T 4340.1—2024的标准执行条件。

根据标准硬度块检定或校准机构出具的报告，其中包含了每个压痕的尺寸和位置信息，这使得日常检测更为便捷。在标准块硬度分布均匀性方面，不同标准存在不同规定。针对约400 HV1硬度值的标块，我国规范与ISO标准对均匀性的规定均为4%，该要求低于ASTM E92-23标准规定的3%。通过对比硬度计和标准硬度块的差异，可以明确，ASTM标准的规定通常比ISO标准更为严格。

1.2 试样要求

试样表面准备的不同要求在表4中列出。根据表4的内容可以明确：标准ASTM E92-23的规定更为详尽清晰。

Table 4. 试样表面制备要求的差异

项目

标准编号

GB/T 4340.1—2024

ISO 6507.1:2023

ASTM E92-23

试样表面粗糙度

试样表面的质量应保证压痕对角线长度的测量精度。

建议表面抛光处理。

需要实施抛光工艺，表面不平整程度会因测试时施加的力度和倍率高低而不同，务必保证能够明晰地观察到痕迹轮廓（特别是痕迹的尖端位置）。

其他

试验表面不宜遭到破坏，否则压痕轮廓会变得不清晰，但显微硬度检测时可以略微进行表面处理。

镶嵌试样选择避免蠕变。

1.3 日常（周期性）检查/期间核查

日常（周期性）检查/期间核查的主要差异如表5所示。根据表5的信息：在检查压痕对角线测量系统的日常情况方面，GB/T 4340.1—2024和ISO 6507.1:2023都有详细规定且能够实际执行，ASTM E92-23则没有涉及；在记录检查情况方面，日常检查得到的数据需要保存一段时间，目的是为了观察硬度计的重复性能和测量工具的稳定性，GB/T 4340.1—2024没有考虑硬度计的日常表现（重复性能）以及测量值差异较大时不确定度分量的计算，ISO 6507-1:2023的附录D建议可以适当加入其他不确定度因素中硬度计日常检查时的重复性能变化，ASTM E92-23的A1.6.1部分建议保存日常检查结果的记录应包含检查时间、测量数据、标准硬度块的校准值、标块识别资料以及检查者姓名等，并说明可以根据日常检查的数据，采用控制图方法或定量计算硬度计的重复性能等多种方法来监测硬度计的重复性能，其附录X1中提供了硬度测量不确定度的计算方法。可见，标准ASTM E92-23更具可操作性。

Table 5. 日常（周期性）检查/期间核查的主要差异

项目

标准编号

GB/T 4340.1—2024

ISO 6507.1:2023

ASTM E92-23

压痕对角线测量系统检查

测量压痕对角线的实际尺寸，需要和压痕的基准数值相符，两者之间的偏差值，不能超过0.001毫米，或者对角线实际尺寸的1.25%。

压头检查

定期用软布蘸取酒精擦拭压头，借助将压头按压在样品上方的纸张来清除附着的油渍。

要经常用眼睛查看压头状况，如果发现它有磨损、变钝、缺口、裂纹，或者已经和密封材料分开了，就应当把它换掉。

日常操作硬度计的时候，需要用眼睛观察参考试块上留下的痕迹，以此来判断压头的状态

判断凹陷是否均匀：当其中一条对角线的一半，超出另一条对角线的一半超出百分之五，或者凹陷的四个边角，没有全部汇聚在同一个点上，那么样品的表面，或许没有和施压轴保持垂直

确认样品对位情况：将样品旋转九十度，在未测试过的部位再压一个痕迹。倘若痕迹的不对称面已旋转九十度，那么样品表面或许未能与压头中心线垂直，因而可能导致硬度测量值不准确。倘若朝同一方向的痕迹不对称，则需检查压头是否损坏或未校准。采用符合标准硬度的规块来检测压头的校准状态，当留下的痕迹呈现不均匀形态时，表明压头位置存在偏差。

核查记录

核查过程留下的资料应当保存一段时日，目的是为了检测重复性，同时监督硬度仪器的变化情况。

务必将常规检测的资料进行保存，涵盖检测时日、测量数据、标准硬度块的校准值、标块的识别信息以及检测者的名字等，这些资料有助于评估硬度设备的长期运作状况。

极力建议在常规检测评估时，采用普遍认可的统计质量控制方法，比如，但不限于，平均极差图和直方图。

1.4 压痕测量

压痕测量结果存在不同，参见表6。根据表6内容：在压痕放大倍数方面，标准ASTM E92-23建议采用能够完整显示压痕的放大倍数，并且列出了常见物镜的放大倍数范围。根据表7，标准ASTM E92-23推荐显微镜的总放大倍数，这个总放大倍数等于物镜放大倍数与目镜放大倍数的乘积，表中特别指出推荐的目镜放大倍数为10倍，因此，相较于标准GB/T 4340.1—2024和ISO 6507.1:2023，标准ASTM E92-23显得更加实用。另外，依据ASTM E92-23标准，应尽可能增大放大倍数，但压痕的长度不宜超出视场宽度的四分之七五（以保障其位于物镜的平场范围内），而GB/T 4340.1—2024和ISO 6507.1:2023标准则要求放大倍数在视场的四分之一到四分之七五之间即可，因为压痕图像经过充分放大，能够提升压痕对角线测量的精确度。

Table 6. 压痕测量的差异

项目

标准编号

GB/T 4340.1—2024

ISO 6507.1:2023

ASTM E92-23

压痕中心至试样边缘距离

钢、铜及铜合金：≥2.5d（d为压痕对角线长度），

轻金属、铅、锡及其合金：≥3 d

≥2.5 d

两压痕中心间距

钢、铜及铜合金：≥3 d

，轻金属、铅、锡及其合金：≥6 d

压痕放大倍数选择

宜选取合适的放大倍数将对角线放大到视场的25%到75%

需要选取能够实现压痕整体成像的最大倍率，压痕的尺寸不应超出视场范围的四分之三，以此保证成像中心位于物镜的平坦区域之内

表七 ASTM E92-23建议的显微观测总放大倍数确定方法

2. 结语

标准GB/T 4340.1—2024和ISO 6507.1:2023对硬度计的规定大体相同，它们和标准ASTM E92-23的规定存在出入。在压痕测量容许偏差方面，标准ASTM E92-23的限度稍宽松些；至于指示值误差和再现性指标，在不同的标尺或硬度数值区间，这三项标准的要求并不统一，彼此间有高有低。

ASTM标准在试样要求、压头检查、压痕放大倍数选择、期间核查记录处理等事项上，说明得更为详尽且易于执行，这些做法值得仅采用GB和ISO标准的实验室参考学习。

标准GB 4340.1—2024和ISO 6507-1:2023对于采用标准块压痕方式检查对角线长度测量系统的要求，不仅能够确认压痕测量装置的准确性，还能修正检测者在观察压痕尖端时容易出现的“卡线”现象所造成的系统偏差，其效果远胜过标准ASTM E92-23。

证书里面没有压痕对角线的尺寸数据，这样就不能符合GB/T 4340.1—2024对检查对角线长度测量系统的检测要求，另外，关于标准块有效期的规定没有充分的理由，并且和ISO标准不一致。GB/T 4340.2—2012以及GB/T 4340.3—2012的内容也显得过时，不能适应实际使用的要求。目前，全国试验机标准化技术委员会负责的两个标准GB/T 4340.2—2012和GB/T 4340.3—2012已经纳入修订方案，计划编号分别为-T-604和-T-604，它们已经进入标准审批环节，很快就会正式公布。因此，需要立刻更新标准JJG 148—2006，或者大量采用当前最新的GB/T 4340.3，这样才能满足维氏硬度检测的实际需要。