机械小欧分享金属力学性能之硬度，常用测试方法有哪些？

机械小欧分享金属力学性能之硬度，常用测试方法有哪些？

各位朋友，我是机械小欧，日常在头条平台，持续更新机械相关内容。今日，我向各位介绍，金属的一种重要性质，即它的硬度

材料坚韧程度可以用一个性能参数来体现，这个参数能够说明材料面对局部形变，尤其是塑性形变时，其抵抗压痕或划痕的能力如何。

测量硬度的方式包括压头嵌入、表面刻划以及弹力反弹等手段。其中以压头嵌入最为常见。具体操作时，在标准静力条件下，让特定形状的压头进入材料表层，随后依据留下的凹痕尺寸或深度来判定硬度数值。这种通过凹痕来评估硬度的技术称作压痕硬度法。硬度检测依据受力大小、接触部件形态及标示体系差异，主要包含布氏硬度，现行规范统一为HBW，旧版曾用HBS或HBW，洛氏硬度涵盖HRA、HRB、HRC等种类，维氏硬度则标记为HV。

(一)布氏硬度

布氏硬度检测方法，是借助特定直径的硬质合金球，施加相应试验力，使球压入试样表面，保持规定时长，然后移除压力，测量表面压痕大小，再依据压痕尺寸计算硬度数值，如图2-4所示。这种硬度值，是以球面压痕单位面积所受平均压力体现的。当前标准GB/T231.1-2002，采用符号HBW来标示。标准规定试验范围上限为。布氏硬度值的计算式为

式中 F--试验力(N);

D-压头的直径(mm);

d--压痕直径(mm)。

公式里，唯有压痕直径d在变化，所以，实验时只要测定出压痕直径d的毫米数，就能通过计算或查阅布氏硬度表得到HBW值。布氏硬度计算所得的结果通常不标注单位，仅标明硬度数值。

金属材料存在坚硬与柔韧的差异，工件具有厚薄不均的特点，开展布氏硬度测试时，必须针对被测金属的属性和工件厚度，恰当选定压头直径D（包含10毫米、5毫米、2.5毫米及1毫米四种规格）、测试所用的压力F以及持续施加的时间。

做布氏硬度测试时，需要确定测试压力，确保压痕宽度d处在0.24D到0.6D的范围内。测试力F（单位是牛顿）同球压头直径D（单位是毫米）平方的比值，必须是30、15、10、5、2.5或1这几个数值中的一个。选择哪个比值，要结合待测材料的种类及其硬度程度来决定。

布氏硬度值的表示方式是，测量得出的硬度数值需要写在硬度代号 HBW 的前面部分。对于持续时长在十到十五秒的测试情形而言，只要是在其他测试情形下获得的硬度数值，都应当在硬度代号后面用对应的数字来标明压头尺寸、施加的试验力大小以及试验力持续的时间。比如：

直径为10毫米的硬质合金球，在9.087千牛的试验力下，持续30秒，测得的布氏硬度数值为150

直径为5毫米的硬质合金球，在750公斤的试验力，也就是7355牛顿的情况下，保持10到15秒，测得的布氏硬度值用斜杠加750表示。通常情况下，当试验力保持的时间为10到15秒时，这个时间就不需要特别标注出来。

布氏硬度测试有个特点，就是试验时金属材料表面会留下较深的压痕，它能在较宽的范围内表现材料的平均硬度，测量出的硬度数值比较精确，而且多次测量的结果很稳定，但是因为压痕较深，会对金属表面造成较大的损伤，所以不适合用来测量非常小或者非常薄的样品。

（二）洛氏硬度

洛氏硬度测试方法运用锥角为120度的金刚石锥头或直径1.588毫米的淬火钢珠，施加压力至材料表面，如图2-5所示，测试流程包括先施加预备载荷，再施加主要载荷，压入材料表面后移除主要载荷，保持预备载荷，通过测量材料表面留下的压痕深度变化来判定材料的硬质程度。

图 2-5 显示，0-0 点代表金刚石探头尚未触及样品时的初始状态。施加初始载荷 Fo 后，探头进入样品，位移量为 ho，到达 1-1 点。接着施加主要载荷 F1，探头进一步压入样品至 h1，如图中 2-2 点所示。随后移除主要载荷，维持初始载荷不变，探头因材料弹性回弹至 3-3 点。图中显示的那个数值，叫做剩余压痕深度变化量，在测定洛氏硬度时，它的计量单位是每0.002毫米。刻度尺的最大读数k，减去这个数值，就得出洛氏硬度数值。这个硬度测试方法有A、B、C三种不同的标尺，计算公式如下

HR=k-e=k-压痕深度/0.002

式中，压痕深度的单位为 mm。

针对采用钻石锥形触头开展的测试，其标尺测量范围是 100，硬度指标在 100 减去某个数值之后确定

进行淬火钢球压头测试时，量程设定为 130，测得的洛氏硬度数值介于 130 与 e 之间。

洛氏硬度标定方式依据测试时压头种类和施力大小而异,选用不同标尺。依据 GB/ T 230.1—2004 标准要求,硬度值需置于符号左侧,HR 符号右侧标注所用标尺。例如,50HRC 表明采用"C"标尺测得的洛氏硬度数值为 50。

洛氏硬度检测是工业制造领域普遍采用的一种硬度测试技术，这种测试方法具备以下优势：测试时产生的压痕非常微小，不会对试样的表面造成明显破坏，因此经常被用来直接评估成品或半成品的硬度指标，特别是对于那些经过淬火工艺处理的零件，普遍会选用洛氏硬度仪器进行检测；该测试过程十分简单易行，可以直接从仪器上读取出硬度数值，无需进行复杂的测量、运算以及查阅数据表等操作步骤。然而，因为凹痕较浅，硬度测量结果不如布氏硬度精确，数据一致性也不佳。所以，检测洛氏硬度时，需要从不同部位选取三个测量点，分别得出硬度数值，然后求这三个数值的平均值

点硬度的平均值作为被测材料的硬度值。

（三）维氏硬度

布氏硬度方法不适用于判定强度较大的物质。洛氏硬度方式虽然能够测量所有金属材料的强度，不过因为运用了不一样的压头、总施力以及标尺，其强度数据彼此之间不关联，也无法直接进行相互转换。所以，为了从较软到较硬对各种金属材料进行连贯的强度标定，大家制定了维氏硬度方法。

维氏硬度的测定原理与布氏硬度基本相似。如图 2-6 所示，采用正四棱锥体金刚石作为压头，该压头的相对面夹角为 136°，试验过程中，在规定的试验力 F(49.03～980.7N）范围内施加压力，将压头压入试样表面，保持一定时间后，撤去试验力，试样表面会形成四方锥形的压痕，通过测量压痕的两对角线 d 的平均长度，可以计算出材料的硬度值。维氏硬度通过正四棱锥压痕的面积单位来体现平均受力情况，这个硬度数值用HV符号表示，其计算方法为

HV= 0.1891F/d（平方）

式中F——试验力（N);

d——压痕两条对角线长度算术平均值（mm)。

测试时，通过千分尺量得压痕的两条对角线尺寸，求得这两个对角线尺寸的算术平均值，然后依据 GB/T 4340.1-1999 的附表，便能确定维氏硬度指标。

维氏硬度测试的数值区间为五到无限大，其标记方式跟布氏硬度保持一致，硬度指标需置于符号左侧，实验参数应放在符号右侧，试验时长若是钢或铸铁且为十的负十五次方秒，则无需特别注明，比如：

以30kgf的力进行测试，持续10到15秒，所测得的维氏硬度数值为640。

采用30kgf的测试压力，持续20秒，测得的维氏硬度数值为640。

维氏硬度测量范围很广，包括非常软和非常硬的材料，特别适合检测零件表层硬度，比如化学热处理形成的渗层硬度，其检测数据准确可信。不过，获取维氏硬度数值时，必须测量对角线尺寸，接着通过查表或计算，而且进行维氏硬度检测时，对试样表面状况要求严格，检测速度较慢，所以，维氏硬度不如洛氏硬度使用起来便捷。

（四)硬度试验的应用

硬度测试与拉伸测试都是通过静态负荷来评估材料力学特性的技术。硬度测试几乎不会损伤样品，操作简便快捷，无需准备专用试样，还可以直接在工件上实施，所以在工业领域应用非常普遍。拉伸测试虽然能够精确测量材料的强度和延展性，但属于破坏性测试，因此在生产中的使用频率不及硬度测试高。硬度可以看作是一种综合性的力学性质，通过金属表层局部承受压痕的情况，能够看出材料的抗力程度以及变形能力。所以，在零件的设计图纸中，经常会明确标示出不同的硬度参数，以此作为制作规范。此外，硬度数值的大小，对机械设备零件的耐磨损程度有显著作用，钢材的硬指标越大，它的抗磨损能力就越强。

这三种硬度检测手段的用途各有侧重，布氏硬度针对部分通用材料，其测量结果精确且稳定，操作简便，但存在压痕较明显的不足之处，洛氏硬度留下的痕迹较小，然而其测量数据不够精确，维氏硬度则适用于多种不同的使用环境