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/T231.12002）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)=0.1022F / Dh（D ） （1-3） 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，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（）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（1-5） 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0.24D0.6D 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。表 11 布氏硬度试验条件硬度符号球直径 D/mm试验力压头球直径平方的比率0.102F/D2试验力 F/NHBW10/3000HBW10/1500HBW10/1000HBW10/500HBW10/250HBW10/100HBW5/750HBW5/250HBW5/125HBW5/62.5HBW5/25HBW2.5/187.5HBW2.5/62.5HBW2.5/31.25HBW2.5/15.625HBW2.5/6.25101010101010555552.52.52.52.52.530151052.51301052.51301052.512942014710980749032452980.7735524521226612.9245.21839612.9306.5153.261.29HBW1/301HBW1/101HBW1/51HBW1/2.51HBW1/11301052.51294.298.0749.0324.529.807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，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：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 (1-6) 式中：b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 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/m22. 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。