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金属硬度检测的试验方法

摘　要

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。

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。

关键词：

硬度；物理量；试验方法；力学性能

Abstract

第1章引言

1.1金属材料硬度的定义

硬度是金属材料力学性能中最常见的一个性能指标。

硬度检测又是最迅速最经济的一种试验方法。

但是对于金属材料的硬度，至今国内外还没有一个包括所有试验方法在内的统一而明确的定义。

一般来说，金属的硬度常被人认为是：

材料堆压入塑性变形、划痕、磨损或切削等的抗力。

对压入法来讲，也被认为是：

材料在一定条件下抵抗另一本身不发生残余变形物体压入的能力。

之所以存在上述两种说法，是因为“硬度”本身不是一个简单物理常数。

它是一个不仅决定于所研究材料本身的宏观与微观条件（如宏观的变形程度，冷热加工条件，微观的金属晶体点阵类型、晶格常数和原子间的结合力等），而且也决定于测试的特征和条件量。

可以这样说对于被检测的材料而言，硬度是代表这在一定的压头合力的作用下所反映出的弹性、塑性、塑性形变强化率、强度、韧性以及抗摩擦性能等一些列不同物理量的综合性能指标。

而实质上在这一比较中，还包括了两种材料的不同弹性、塑性变形能力和形变强化率等因素在内。

因此，用更准确的定义去更科学的反映出硬度的客观实质，还有待于人们从试验中和对金属宏观和微观结构的深入研究中去获得。

尽管如此，在不同试验方法的基础上，正确运用试验原理和试验条件，得出的试验结果对于各行各业正确使用金属材料，监视工艺的正确性，判定产品品质以及在科学实验中均有重大的实际意义。

1.2硬度试验的作用和特点

在研究金属焊接结构时，可利用硬度试验法确定焊缝产生淬硬倾向以及热影响区范围。

利用表面洛氏和轻负荷维氏硬度等试验法可测定表面热处理强化效果及硬度提督，表面强化层或渗层的深度。

显微硬度试验法是金相分析方法的补充，除开用作测量显微组织中粗的硬度外，还有广泛的其他用途。

又如，材料在高温或低温下使用，可以通过高温或低温硬度的测定来判断其适用性。

总之，硬度试验方法的应用是非常广泛的。

硬度试验方法的特点是经检测后的制件不被损坏，留在制件表面上的痕迹很小，在大多数情况下对制件适用无影响，可视为无损检验。

对于重要的产品可以逐个进行检查，如一些热处理后的模具、工具、工艺文件上都仅要求作硬度检测。

硬度检测设备简单，易于掌握。

不仅可以在固定的仪器上进行，而且还有便携式的小型硬度计，在生产线或特大件上进行检测。

硬度检测有很高的工作效率，如洛氏硬度测定在同类的零件上一小时可测得120个以上数据。

自动洛氏测定，每小时可达1000次。

在我国机械制造工业中，硬度检测法常用于最终热处理效应检查。

实际上，硬度检测法在工艺管理和生产过程中进行质量控制也是非常重要的一种手段，如对未经热处理的一些制件，为避免混料、错料，应进行硬度检测。

在加工过程中，为避免切削或磨削加工量过大而硬起退火造成性能改变，亦应用硬度检测加以监管。

因此科学地应用硬度检测方法，很值得重视。

由于金属硬度与强度之间有一定的对应关系，使硬度检测具有更广泛的实用意义。

1.3常用硬度试验方法的分类

自1722年雷奥姆尔（Reaumvr）首先应用了矿物对金属进行刻划的初始硬度试验以来，人们提出过几百种测量金属硬度的方法。

除开常用的布氏、洛氏、维氏等外，还有钻孔法、磨料法以及摇摆硬度试验法等。

通过在工业生产、科学实验中的应用与考验，有些方法逐渐被淘汰，有些则应用较少，而有些方法因为使用方便、测试准确而得到了广泛的应用。

常用金属硬度试验方法一般有如下分类：

1.按试验力施加速度分类

（1）静力试验法施加试验力时缓慢而无冲击的。

硬度的测定主要决定于被测试样表面压痕的状况，即压痕的深度、压痕投影面积或压痕凹印面积的大小。

这包括所有的静力压入法，如常用的布氏、洛氏、维氏、努普硬度试验法等。

（2）动力试验法施加试验力特点是动态和具有冲击力，包括肖氏、里氏、锤氏和弹簧加力试验法等。

2.按试验力的大小分类

（1）宏观硬度试验法。

试验力≥49.03N（≥5kgf）；

（2）小负荷硬度试验方法。

试验力1.961N～49.03N（0.2～5kgf）；

（3）显微硬度试验法。

试验力0.0098N～1.96N（0.001～0.2kgf）；

（4）超显微硬度试验法。

试验力<0.0098N（<0.001kgf）；

（5）纳米级硬度试验法。

试验力<50Nn。

3.按试验温度分类

（1）常温硬度试验法。

在室温下进行；

（2）低温硬度试验法。

在0℃以下某一特定温度下进行；

（3）高温硬度试验法。

在室温以上某一特定温度下进行。

4.按试验原理分类

可分为布氏、洛氏、维氏、肖氏、里氏、奴仆、韦氏、巴氏和划痕、锉刀以及其他物理监测方法，如超声波、磁矫顽力、磁导率等。

第二章金属材料硬度的检测方法

2.1洛氏硬度检测方法

洛氏硬度检测法最初是由美国人洛克威尔（S.P.RocKwell和H.M.RocKwell）在1914年提出的。

以后他们在1919年和1921年两次对硬度计的设计进行了改进，奠定了现代洛氏硬度及的锥形。

到1930年威尔逊（C.H.Wilson）进行了更新设计，使洛氏硬度检测方法和设备更趋完善，一直沿用至今。

现在我国已生产用数码管显示并自动打印的洛氏硬度计。

洛氏硬度检测方法的特点是操作简单，测量迅速，并可从百分表或光学投影屏或显示屏上直接读书。

同布氏和维氏硬度检测法一样，成为三种最常用的硬度检测法之一。

2.1.1原理

洛氏硬度检测法采用120°金刚石圆锥或淬火钢球（规定直径的）作为压头，在初始检测力F0作用下，再加上主检测力F1，在总检测力F作用下，将压头压入试样表面。

之后卸除主检测力，在保留初始检测力F0测量压痕深度残余增量e，100（或130）减去e值（e值以0.002mm为单位）即洛氏硬度值。

2.1.2符号和计算公式

洛氏硬度检测及计算公式所用符号及其含义见表2-1-1。

表2-1-1洛氏硬度符号及其说明

符号

说明

符号

说明

金刚石圆锥角（120°）

金刚石圆锥体顶部曲率半径/mm

钢球直径/mm

初始试验力/N

主试验力/N

总试验力/N

施加主试验力在初始试验力下的压痕深度/mm

在主试验力下的压痕深度增量/mm

取出主试验力后，在初始试验力下的残余压痕深度增量，用0.002mm为单位表示

HRA

HRC

HRD

HRB

HRE

HRF

HRG

HRH

HRK

A标尺洛氏硬度=100-e

C标尺洛氏硬度=100-e

D标尺洛氏硬度=100-e

B标尺洛氏硬度=130-e

E标尺洛氏硬度=130-e

F标尺洛氏硬度=130-e

G标尺洛氏硬度=130-e

H标尺洛氏硬度=130-e

K标尺洛氏硬度=130-e

计算公式：

根据洛氏硬度读书如下：

用金刚石压头（A.C.D标尺）为100-e；用钢球压头（B.E.F.G.H.K标尺）为130-e，即HR=K-e。

由HR=K-e公式看出，压痕深度的残余增量e越大，则洛氏硬度值越低；e越小，硬度值越高。

式中K为定义常数，用钢球压头为130；用金刚石压头为100。

所谓标尺，是用不同压头和总检测力的组合加以区分。

例如用金刚石圆锥压头，总检测力为1471N（150kgf）时，是HRC；如用1.587mm钢球作压头，总检测力为980.7N（100kgf）时，是B标尺HRB。

e是去除检测力后，在初始检测力F0的残余压痕深度增量。

用金刚石压头，1.471N总检测力条件下，在卸除主检测力后，如e为0.08mm，因为每一洛氏硬度单位为0.002mm，则HRC=100-40=60。

由此可看出此值五量纲为一有条件的无名数。

K值为什么定义为100和130？

当压头为金刚石圆锥体时，因为HRC（A）规定用于测量较硬的蔡老，如淬火后的钢及硬质合金等，一般不会出现压入深的为0.2mm而使硬度值为零的情况。

当压头为钢球时，多用于测量中等及较低的材料，硬度值跨越较大，为了避免出现负值，将用钢球的洛氏标尺K值均定为130。

2.1.3检测过程及其示意图

洛氏硬度检测过程示意图2-1-1～图2-1-4。

图2-1-1洛氏硬度检测过程示意图

图2-1-2洛氏硬度检测原理

（a）金刚石圆锥（b）钢球

图2-1-3用金刚石圆锥压头试验示意图

（HRA、HRC、HRD）

图2-1-4用钢球压头试验示意图

（HRB、HRE、HRF、HRG、HRH、HRK）

图2-1-1～图2-1-4中一位，表示试样台上升，试样表面接触压头后，开始加上初始检测力F0，杠杆向上，百分表大指针顺时针方向旋转二圈或三圈至零点，小指针同步指红点为止（在光学洛氏硬度计投影屏上刻度向上移动，用金刚石锥，刻线指到100；用钢球相当于130）。

在初始检测力F0作用下，压头压入试样深度为h0反映硬度的压入深度是从h0这一位置开始计算的。

2位表示加上主检测力F1后，杠杆向下，压头进一步压入试样，此时压入的深度决定于试样的硬软。

百分表上指针反时针旋转到某一位置为止（光学洛氏硬度计投影屏上可读向下移动到某一位置）。

在主检测力F1作用下压头压入深度为h1。

3位表示卸除主检测力F1后，保留初始检测力F0时，压头由于试样材料的弹性变形，试样向上推起压头，推起的高度决定该材料的弹性回复大小。

当杠杆向上，百分表指针顺时针旋转到某一刻度止（在光学投影屏上刻度向上移动少许），此时可直接从百分表或光学投影屏上读出硬度数值。

图2-1-1～图2-1-4中e为被试材料的实际压入深度。

卸掉初始检测力F0，压头离开样品表面，百分表指针回零，光学洛氏硬度计投影屏上刻度向下移动至起始位置。

2.1.4洛氏硬度标尺及技术参数

已被代替的GB230-83《金属洛氏硬度试验方法》标准中只有HRA、HRB、HRC三个标尺。

现行GB/T230-91《金属洛氏硬度试验方法》标准将原来三个洛氏标尺扩展为9个标尺。

见表2-1-2。

表2-1-2洛氏硬度标尺及技术参数

洛氏硬度标尺

硬度符号

压头类型

初始检测力F0/N

主检测力F1/N

总检测力F/N

洛氏硬度范围

HRA

HRB

HRC

HRD

HRE

HRF

HRG

HRH

HRK

120°金刚石圆锥

1.5875mm钢球

120°金刚石圆锥

3.175mm钢球

1.5875mm钢球

3.175mm钢球

98.07

490.3N

882.6N

1373N

882.6N

490.3N

1373N

490.3N

1373N

588.4N

980.7N

1471N

980.7N

588.4N

1471N

588.4N

1471N

20～88HRA

20～100HRB

20～70HRC

40～77HRD

70～100HRE

60～100HRF

30～94HRG

80～100HRH

40～100HRK

2.1.5标尺的应用原则

HRA——适用于测定坚硬或薄硬材料硬度，如硬质合金、渗碳后淬硬钢、经硬化处理后的薄钢带、薄钢板等。

因为对于HRC＞67的材料如仍用1471N检测力易于损坏金刚石压头。

宜用检测力较小，压入深度较浅的HRA标尺。

HRB——适宜用于测定中等硬度的材料，如经退火后的中碳和低碳钢、可锻铸铁、各种黄铜和大多数青铜以及精固溶处理时效后的各种硬铝合金等。

适用范围是HRB20-100。

当试样硬度小于20HRB时，因为这些金属的蠕变行为，试样在检测力作用下变形将持续很长时间，表上的指针或光学投影刻度过浅，灵敏度降低，影响测量精度。

HRC——最适用于测定径淬火极低温回火后的碳素钢、合金钢以及工、模具钢，也适用于测定冷硬铸铁、珠光体可锻铸铁、钛合金等。

一般HRB＞100的材料可用C标尺测定，当HRC＜20时，由于金刚石压头压入过深，压头圆锥的影响增大，产生下滑现象，影响测量准确性，宜换用HRB标尺测定。

HRD——是介于HRA和HRC之间的一种标尺，适用于压入深度介于A和C标尺之间的各种材料，如表面热处理强化后的钢试样、珠光体可锻铸铁等。

HRE——适用于测定一般铸铁、铝合金、镁合金、轴承合金及其他类似软金属。

HRF——适用于韧化黄铜、紫铜、一般铝合金等。

HRG——适用相当于HRB近于100的材料。

因为这时可比HRB检测近于100时的灵敏度为高。

HRH——适用于铝、锌、铅等软金属合金，因为H标尺适用压头直径大；检测力又小，且可迅速直接读数。

HRK——适用于轴承合金和其他软金属材料。

以上除洛氏A、B、C三个标尺外，其余洛氏D、E、F……等6个标尺都是在修订后的标准中增添的。

因为在ISO标准中，这些标尺早已有应用，我国加入WTO以后，国际贸易、技术交流将会更加频繁，为参照对比国际上各种硬度要求，这些标尺的应用是很重要的。

2.1.6应用范围及其特点

洛氏硬度检测操作简便、迅速，工作效率高。

由于其使用检测力小，所产生的压痕比布氏硬度检测的压痕小，因而对制件表面没有明显损伤。

由于适用金刚石压头和两种直径钢球作为压头，有三种检测力，共计有9个标尺（见表2-2），可以测量从教软到较硬材料的硬度，使用范围宽广。

再者有预见册立所以试件表面轻微的不平度对硬度值的影响比布氏、维氏为小。

因此，适用于成批生产大量检测的机械、冶金热加工过程中以及半成品或成品检验。

特别适用于刃具、模具、工具等成品制件检测。

2.1.7检测及注意事项

a）检测前的准备

（1）用于进行硬度检测的硬度积极压头应符合GB2848洛氏硬度计技术条件要求。

（2）试验一般在10～35℃室温下进行。

对精度要求较高时，室温应控制在（23±5）℃。

（3）选择标尺时，根据试样的材质以及其热处理状态，参考“42页，5节”标尺的应用原则，选用压头及检测力。

（4）如压头是取下的，应首先安装好压头。

如为侧面螺钉固紧压头，正确的装置方法是：

把压头尾部插入主轴孔内，轻扭螺钉帽但不要上紧，用一试样加上初检测力，然后加主检测力，在受力情况下它的台阶面与主轴下端面靠紧，使无倾斜或间隙，然后再拧紧紧固螺钉。

（5）选择好合适的试验台，试验台支承面应洁净，试样应能稳固的放置于试验台上，以保证在检测过程中不产生位移和变形。

（6）检则前，应适用于试样硬度值相近的标准洛氏硬度块对硬度计进行校验，在符合允许误差范围内进行检测。

b）试样

（1）式样在制备过程中，应尽量避免由于受热，冷加工等对试样表面硬度造成影响。

（2）试样的厚度不小于e的十倍。

试验后，试验背面不得有肉眼可见变形痕迹。

试样最小厚度与洛氏硬度值得关系见图2-1-5和图2-1-6。

图2-1-5试样最小厚度与洛氏硬度值

（3）试样的试验面应尽可能是平面，不应有氧化皮及其污物、裂缝。

表面粗糙度Ra一般不大于0.80μm.

c）试验中注意事项

（1）在任何情况下，不允许压头与试台及支柱、试样触碰。

试样支承面、支座和试台工作面上均不得有压痕。

图2-1-6试样最小厚度和洛氏硬度值关系图

（2）检测时，必须保证检测力方向与试样的检测面垂直。

（3）在检测过程中，有关装置不应受到冲击和振动。

（4）施加初检测力时，指针或指示线不得超过硬度计规定范围（允差），否则应卸除检测力，在试样上另一位置检测。

（5）调整示值指示器至零点后，应在2～8s内施加全部主检测力。

（6）应均匀平稳地施加检测力，不得有冲击与振动。

（7）施加主检测力后，总检测力的保持时间应以示值指示器指示基本不变为准。

总检测力保持时间推荐如下：

对于施加主检测力后不随时间继续变形的试样，保持时间为1～3s。

对于施加主检测力后随时间缓慢变形的试样，保持时间为6～8s。

对于施加主检测力后随时间明显变形的试样，保持时间为20～25s。

（8）达到要求的时间后，在2s内平稳地卸除主检测力，保持初始检测力，从相应的标尺刻度上读出硬度值。

（9）两相邻压痕中心间距离至少应为压痕直径的4倍，但不得小于2mm。

任一压痕中心距试样边缘距离至少应为压痕直径的2.5倍,但不得小于2mm。

（10）在每个试样上的检测点数应不少于四点（第一点不记）。

对大批量试样的检测点数可适当减少。

d）检测结果处理

（1）检测报告中给出的洛氏硬度值应精确至0.5个洛氏硬度单位。

（2）对于圆柱面和球面上测得的洛氏硬度值，应按表2-1-3～表2-1-5进行修正。

表中修正值均为正值。

表2-1-3用金刚石圆锥压头检测凸圆柱面修正值

（HRA、HRC、HRD）

洛氏硬度值

曲面半径/mm

6.5

9.5

12.5

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

2.0

1.5

1.0

0.5

1.5

1.0

0.5

1.5

1.0

0.5

1.0

0.5

1.0

0.5

表2-1-4用1.5875mm钢球压头检测凸圆柱面修正值

（HRB、HRF、HRG）

洛氏硬度值

曲面半径/mm

6.5

9.5

12.5

100

5.0

4.0

3.5

5.0

4.0

3.5

3.0

2.5

5.0

4.5

4.0

3.5

3.0

2.5

2.0

1.5

4.5

4.0

3.0

2.5

2.0

1.5

4.0

3.5

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0

3.5

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

表2-1-5凸圆球面洛氏硬度修正值（HRC）

洛氏硬度值

球体直径/mm

6.5

9.5

12.5

55HRC

60HRC

65HRC

6.4

5.8

5.2

3.9

3.6

3.2

2.9

2.2

2.7

2.4

2.2

2.3

2.1

1.9

2.0

1.8

1.7

1.5

1.4

1.3

1.2

1.0

0.9

0.8

e）结果的书写

洛氏硬度用符号HR表示，HR前为硬度数值，HR后面为使用的标尺。

例如：

50HRC表示用C标尺测定的洛氏硬度值为50；80HRB表示用B标尺测定的洛氏硬度值为80。

2.2布氏硬度检测方法

布氏硬度检测方法最初是在1899-1900年间由瑞典工程师布利奈尔（J.A.Brinell）的研究热处理对轧钢组织影响时提出来的.这种方法使用最早，由于其压印痕较大，因而硬度值受试样组织显微偏析及成分布均匀的影响轻微，检测结果分散度小，复现性好，能比较客观的反映出材料的客观硬度。

这正是布氏检测方法成为最广泛和常用的硬度检测方法之一的原因。

2.2.1原理

在规定的检测力（F）作用下，将一定直径（D）的钢球（或硬质合金球）压入试样表面，保持一定时间，然后去除检测力。

测量试样表面上所压印痕直径（d）。

根据d可以计算出压痕凹印面积（A）。

布氏硬度值是检测力除以压痕球形表面积（A）所得的商。

单位为9.807N/mm2。

压痕大（即F/A值小）表示钢球压入深，硬度值低；反之则硬度值高。

2.2.2计算公式

布氏硬度符号表示为HBS（钢球压头，适合测450HBS一下硬度）；HBW（硬质合金球压头适合测450－650HBW硬度）。

按布氏硬度定义HBS（HBW）＝F/A。

压痕为一球冠形（见图2-2-1）

压痕面积为：

A＝πDh（2-2-1）

从图2-2-1看出：

（2-2-2）

将式（2-2-2）代入式（2-2-1）

则（2-2-3）

式（2-2-3）是国家标准GB231－63《金属布氏硬度试验方法》中使用的一个公式。

从1984年4月发布GB231－84金属布氏硬度试验方法标准，并于1986年3月开始实施新标准后，试验条件和计算公式都有所变化。

因为在国际单位制（ＳＩ）中，现行力值计算单位由千克力（kgf）改为牛顿（简称为N）。

两种单位的换算关系　为：

１kgf＝９.80665N；１N＝０.101972kgf≈0.102kgf。

根据国际标准化组织（ISO）的规定。

为了保持原硬度试验中的硬度数值不变，布氏硬度值计算公式为：

布氏硬度值＝（2-2-4）

式（2-2-4）表达力值单位为牛顿。

表示在特定条件下9.80N/mm2为一布氏硬度单位。

因为１kgf≈9.807N,所以试验力改用N后，公式乘以0.102其结果于原用千克力是相同的。

因此，所有原用试验力为千克力单位的技术文件、书刊、手册中的布氏硬度

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