金属材料硬度及测试方法简介

硬度是指金属材料表面抵抗外部压力的能力，分为布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。硬度值越高，金属材料越硬。只有硬度高的物体才能压入硬度低的物体中，如冲头凹模等，其硬度一定比被加工金属材料的高，硬度高的物体耐磨性通常比较好。

（一）布氏硬度

1. 测试原理

如图2-1-5所示，使用一定直径的球体，以规定的试验载荷用布氏硬度计（图2-1-6）压入试样表面，经规定的保持时间后卸载，通过测量试样表面的压痕直径来计算硬度值，布氏硬度试验压痕如图2-1-7所示。布氏硬度用符号HBW表示，计算公式为

式中 F —— 试验载荷（N）；

D —— 硬质合金球的直径（mm）；

d —— 压痕的平均直径（mm）。金属材料越软，压痕的直径越大，布氏硬度越低。

压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料。压头为硬质合金球时，用符号HBW表示，适用于布氏硬度在650以下的材料。符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，比如350HBS和450HBW的布氏硬度分别为350和450。

图2-1-5　布氏硬度测试原理

图2-1-6　布氏硬度计

图2-1-7　布氏硬度试验压痕

2. 适用范围

布氏硬度测量误差小，数据稳定，主要用于测量灰铸铁、有色金属、各种软钢等硬度不是很高的材料。因压痕较大，布氏硬度测试不适宜检验薄件或成品，以及比压头还硬的材料。

（二）洛氏硬度

1. 测试原理

式中 K—— 常数，金刚石取K=0.2，钢球取K=0.26；

h —— 压痕深度（mm）。

图2-1-8　 洛氏硬度测试原理

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图2-1-9　洛氏硬度测试示意图

图2-1-10　洛氏硬度计

图2-1-11　洛氏硬度压头

洛氏硬度没有单位，其值可以从洛氏刻度盘上直接读出。

2. 适用范围

我国常用洛氏硬度有HRA、HRB、HRC三种，见表2-1-1。洛氏硬度适用于测定极软到极硬的金属材料，它弥补了布氏硬度的不足。洛氏硬度测量操作简便，压痕（图2-1-12）小，适用范围广，但测量结果不如布氏硬度测量准确。

表2-1-1　常用的三种洛氏硬度的测试条件及适用范围

图2-1-12　洛氏硬度测试压痕

（三）维氏硬度

1. 测试原理

如图2-1-13所示，采用136°正棱角锥形金刚石作为试样，使用维氏硬度计（图2-1-14）进行实验。载荷F的大小可根据试样厚度和其他条件选用（一般可取10～1 000 N），经规定的保持时间后卸载，用压痕对角线的长度来计算。维氏硬度用符号HV表示，计算公式为

式中 F—— 试验载荷（N）；

d —— 压痕两对角线的平均长度（mm）。

图2-1-13　维氏硬度实验原理和压痕

图2-1-14　维氏硬度计

维氏硬度符号前的数字为硬度值，后面为试验力值，标准的试验保持时间为10～15 s。如果保持时间超出这一范围，还要注上保持的时间。如 600HV30表示采用294.2 N（30 kg）的试验力，保持时间10～15 s时得到的维氏硬度值为600；640HV30/20表示采用294.2 N（30 kg）的试验力，保持时间20 s时得到的维氏硬度值为640。

2. 适用范围

维氏硬度测试中所加载荷小，压入深度浅，可测量较薄的材料和渗碳层、渗氮层的硬度；维氏硬度测量范围广，从很软到很硬的各种金属材料的硬度都可测量，且准确性高。维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点。维氏硬度的缺点是测量压痕对角线的长度较复杂，压痕小，对试样的表面质量要求较高。