第二节　硬度试验

一、概述

金属硬度试验与拉伸试验同样是一种历史最为悠久、应用最为广泛的力学性能试验方法。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。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。

目前硬度试验有十几种，总体来说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。其中布氏、洛氏、维氏三种试验方法是应用最广的，它们是钢铁及合金硬度检测的主要试验方法。另一类是动态试验方法，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。动态试验方法主要用于大型的，不可移动工件的硬度检测。

二、布氏硬度试验

1.布氏硬度的特点

布氏硬度试验的优点是其硬度代表性好，由于能采用10mm直径球压头，3000kgf 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的经验，一般要求由专门的实验员操作。

2.布氏硬度试验原理

用一定直径的硬质合金球施加试验力压入试样表面，经规定保持时间后，卸除试验力，测量试样表面压痕的直径（图2-5）。

布氏硬度与试验力除以压痕表面积的商成正比。压痕被视为具有一定半径的球形，压痕的表面积可通过压痕的平均直径d和压头直径D计算得到。布氏硬度的计算公式如下：

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。

3.布氏硬度试验方法

目前在用的布氏硬度试验方法为GB/T 231.1—2009《金属材料　布氏硬度试验　第1部分：试验方法》。

4.对布氏硬度计的要求

布氏硬度计是测定金属布氏硬度的精密计量仪器，尽管布氏硬度计的种类繁多（图2-6），结构各异，但是对它们的技术要求是一致的。

硬度计应符合GB/T 231.2的规定，能施加预定试验力或9.807～29.42kN范围内的试验力。布氏硬度计应带有直径为10mm、5mm、2.5mm和1mm的硬质合金球。

GB/T 231.2中对布氏硬度计的检验分为检查硬度计基本功能的直接检验和检查硬度计综合性能的间接检验。

布氏硬度计的直接检验中要检查试验力、压头、压痕测量装置及试验力施加和保持时间。这些一般都由计量机构对设备进行检验。

布氏硬度计的间接检验一般用于日常工作中，根据不同的试验力和各种尺寸压头直径，在下面的硬度范围内至少选两个标准块：≤200HBW；300～400HBW；≥500HBW。在上述硬度范围内，选择的两个标准块尽量在两个范围选取。检验时，在每一标准块上均匀分布地测量五个压痕。

布氏硬度计的示值重复性和示值误差应符合表2-1规定。

注：。

5.试样的要求

试样表面应平坦光滑，并且不应有氧化皮及外界污物，尤其不应有油脂。试样表面应能保证压痕直径的准确测量，建议表面粗糙度Ra≤1.6μm。

制备试样时，应使过热或冷加工等因素对试样表面性能的影响至最小。

试样厚度至少应为压痕深度的8倍。试样最小厚度与压痕平均直径的关系见表2-2。试验后，试样背部如出现可见变形，则表明试样太薄。

6.试验程序

①试验一般在10～35℃室温下进行，对于温度要求严格的试验，温度为（23±5）℃。

②布氏硬度试验试验条件的选择问题，即试验力F和球压头直径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球压头直径的合理搭配。

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。在试验力和球压头直径的选择方面需要遵循的规则有两个。

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

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φ1、φ2相同，压痕就具有相似性。这时试验力和球压头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。

试验力与球压头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0.102F/D2。

规则二，试验后要使压痕直径处于以下范围：0.24D<d<0.6D。否则，试验结果是无效的，应选择合适的试验力重新试验。大量试验表明，当压头直径在0.24D～0.6D之间时，测得的硬度值与试验力大小无关。

为了保证在尽可能大的有代表性的试样区域试验，应尽可能地选取大直径压头。当试样尺寸允许时，应优先选用直径10mm的球压头进行试验。

③试样牢固地放置在试台上，保证在试验过程中不发生位移。

④使压头与试样表面接触，无冲击和振动地垂直于试验面施加试验力，直至达到规定试验值。从施加力开始到全部试验力施加完毕的时间应在2～8s之间。试验力保持时间为10～15s。对于要求试验力保持时间较长的材料，试验力保持时间允许误差应在±2s之内。

⑤在整个试验期间，硬度计不应受到影响试验结果的冲击和振动。

⑥任一压痕中心距试样边缘距离至少为压痕平均直径的2.5倍，两相邻压痕中心距离至少为压痕平均直径的3倍。

⑦应在两个相互垂直的方向测量压痕直径。用两个读数的平均值计算布氏硬度。

三、洛氏硬度试验

1.洛氏硬度的特点

洛氏硬度试验操作简单，测量迅速，可在指示表上直接读取硬度值，工作效率高，成为最常用的硬度试验方法之一。由于试验力较小，压痕也小，特别是表面洛氏硬度试验的压痕更小，对大多数工件的使用无影响，可直接测试成品工件，初试验力的采用，使试样表面轻微的不平度对硬度值的影响较小，因此，此仪器非常适于在工厂使用，适于对成批加工的成品或半成品工件进行逐件检测，该试验方法对测量操作的要求不高，非专业人员容易掌握。

2.洛氏硬度试验原理

在规定条件下，将压头（金刚石圆锥、钢球或硬质合金球）分两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h代表硬度的高低（图2-7）。

洛氏硬度值按下式计算：

式中　N——常数，对于A、C、D、N、T标尺N=100，其他标尺N=130；

h——压痕残余深度，mm；

S——常数，对于洛氏硬度S=0.002mm，对于表面洛氏硬度

S=0.001mm。

每一洛氏硬度单位对应的压痕深度，洛氏硬度为0.002mm，表面洛氏硬度为0.001mm。压痕越浅，硬度越高。

3.洛氏硬度试验方法

目前在用的洛氏硬度试验方法为GB/T 230.1—2009《金属材料　洛氏硬度试验　第1部分：试验方法（A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T标尺）》。

4.对洛氏硬度计的要求

洛氏硬度计的质量是影响洛氏硬度试验结果准确度的主要因素之一。从试验方法标准化方面考虑，评定硬度计质量的主要指标包括试验力的误差和重复性、压头的表面质量和形位公差、压痕测量装置的误差及硬度计结构的稳定性。

目前洛氏硬度计有多种型号，根据硬度指示方式可分为表盘式、光学刻度式和数字显示式（图2-8）。

在试验力方面，导致初试验力超差的原因有加力杠杆调整块位置改变或松动、加力吊盘位置偏上、主轴系统摩擦力增大等；导致总试验力超差的原因有初试验力超差、加力杠杆比改变、加力吊盘位置偏下、支点刀刃的磨损、加力主刀刃与主轴上端面接触不好等。

在压头方面，对于金刚石压头，当锥体表面有缺陷或者太粗糙时，锥角或锥顶球面超差时，圆锥母线与球面切线连接不好时，圆锥轴线与压头柄轴线不重合时，都会影响试验示值的准确性。检查金刚石压头是否有缺陷，可以用读数显微镜观察或者直接拿压头头尖划指甲看是否有划痕。

GB/T 230.2中对洛氏硬度计的检验与校准作了统一规定，其中包括检验硬度计基本功能的基本检验法和适用于硬度计综合检验的间接检验法。直接检验通常一年一次，当经过拆卸或重装后，应进行直接检验，一般直接检验由计量机构执行。直接检验一般对试验力、压头、洛氏硬度压痕测量装置和试验循环时间进行检验。日常检测中一般都进行间接检验。

洛氏硬度计用标准硬度块进行间接检验，在各需要检查的硬度范围，首先在相应硬度的标准块上压出两个压痕，以保证硬度计是在正常状态，并使标准块、压头以及试验台定位可靠。注意，这两个压痕不计入计算结果。然后均匀分布地压出压痕。

5.试样的要求

除非产品或材料标准另有规定，试样表面应平坦光滑，并且不应有氧化皮及外来污物，尤其不应有油脂，试样表面应能保证压痕深度的精确测试，建议表面粗糙度Ra≤1.6μm。在进行可能会与压头黏结的活性金属硬度试验时，例如钛，可以使用某种合适的油性介质（如煤油）。使用的介质应在试验报告中注明。

试样的制备应使过热或冷加工等因素对试样表面硬度的影响减至最小。尤其对于残余压痕深度浅的试样应特别注意。

6.试验程序

①试验一般在10～35℃室温下进行。洛氏硬度试验应选择在变化较小的温度范围内进行，因为温度的变化可能会对试验结果有影响。

②试样应平稳地放在刚性支撑物上，并使压头轴线与试样表面垂直，避免产生位移。

③使压头与试样表面接触，无冲击和振动地施加初试验力F0，初试验力保持时间不应超过3s。

④无冲击和无振动或无摆动地将测量装置调整至基准位置，从初试验力施加至总试验力F的时间应不小于1s且不大于8s。

总试验力保持时间为（4±2）s，然后卸除主试验力F1，保持初试验力F0，经短时间稳定后，进行读数。

⑤试验过程中，硬度计应避免受到冲击或振动。

⑥两相邻压痕中心的距离至少应为压痕直径的4倍，并且不小于2mm。

四、维氏硬度试验

1.维氏硬度的特点

维氏硬度试验的压痕是正方形，轮廓清晰，对角线测量准确，因此，维氏硬度试验是常用硬度试验方法中精度最高的，同时它的重复性也很好，这一点比布氏硬度优越。

维氏硬度测量范围宽广，可以测量目前工业上所用到的几乎全部金属材料，从很软的材料（几个维氏硬度单位）到很硬的材料（3000个维氏硬度单位）都可测量。

维氏硬度试验最大的优点在于其硬度值与试验力的大小无关，只要是硬度均匀的材料，可以任意选择试验力，其硬度值不变。这就相当于在一个很宽广的硬度范围内具有一个统一的标尺。这一点又比洛氏硬度优越。

在中、低硬度值范围内，在同一均匀材料上，维氏硬度试验和布氏硬度试验结果会得到近似的硬度值。例如，当硬度值为400以下时，维氏硬度约等于布氏硬度。

维氏硬度试验的试验力可以小到10gf，压痕非常小，特别适合测试薄小制品。

维氏硬度试验效率低，要求较高的试验技术，对于试样表面粗糙度要求较高，通常需要制作专门的试样，操作麻烦费时，通常只在实验室中使用。

2.维氏硬度试验原理

硬度试验采用的压头是两相对面间夹角为136°的金刚石正四棱锥体。压头在选定的试验力F作用下，压入试样表面，经规定保持时间后，卸除试验力。在试样表面压出一个正四棱锥形的压痕，测量压痕对角线长度d，用压痕对角线平均值计算压痕的表面积（图2-9）。维氏硬度是试验力F除以压痕表面积所得的商，用符号HV表示，维氏硬度值不标注单位。

式中　α——金刚石压头顶部两相对面夹角136°；

F——试验力；

d——两压痕对角线长度d1和d2的算术平均值。

在静态力测定硬度方法中，维氏硬度试验方法是最精确的一种，这种方法测量硬度的范围较宽，可以测定目前所使用的绝大部分金属材料的硬度。

3.维氏硬度试验方法

目前在用的维氏硬度试验方法为《GB/T 4340.1—2009金属维氏硬度试验第1部分：试验方法》。

4.对维氏硬度计的要求

维氏硬度计有很多种类，常用的一般都是数显式（图2-10）。维氏硬度计的质量直接影响着维氏硬度试验结果的准确性，因此对维氏硬度计各项指标在标准中均有明确的要求。在GB/T 4340.2《金属维氏硬度试验　第2部分：硬度计的检验》中，规定了对维氏硬度计的直接检验和间接检验方法。直接检验一般由有资质的计量部门进行。当硬度计安装、拆卸或者重新安装或装配时，都应该进行直接检验，一般周期不超过一年。间接检验可以作为对硬度计的日常检查，检查的周期可以根据硬度计工作状态和使用频率来定，但是一般也不超过一年。

这里主要介绍维氏硬度计的间接检验。间接检验也称综合检验，检验时一般按照GB/T 4340.3标定的标准硬度块来进行。

检验方法的具体要求如下。

①当硬度计有几种试验力时，一般至少选用两个试验力进行检验，并且其中的一个力应为硬度计最常用的试验力。对选取的每一个试验力，应从不同的硬度范围选取两块不同的硬度块。

②当所检验的硬度计只有一种试验力时，应选用高、中、低三块硬度块对设备进行检验。

③特殊情况（如试验前的检验）时可以仅在一个硬度值下进行检验，但是检验的硬度值应与待做试验的硬度值接近。

④在每个标准块上应压出并测量五个压痕，试验应按照GB/T 4340.1进行。所检硬度计的示值重复性误差应满足表2-3的要求。

注：。

5.对试样的要求

试样的质量和相关一些要求对维氏硬度结果有明显的影响，因此标准中对试样表面质量、试样厚度以及在曲面上试验的要求都有明确的规定。

①试样的表面应平坦光滑，试验面上应无氧化皮及外来污物，尤其不应有油脂（除非产品有特殊规定）。为了保证对压痕对角线的精确测量，试样表面应抛光处理。

②制备试样时应使由于过热或冷加工等因素对试样表面硬度的影响减至最小。

③由于显微维氏硬度压痕很浅，加工试样时建议根据材料特性进行抛光/电解抛光。

④试样或试验层的厚度（如渗碳层）至少应为压痕对角线长度的1.5倍。试验后试样背面不应出现可见变形。

⑤对于曲面试样，应对试验结果进行修正。

⑥对于小截面或外形不规则的试样，可将试样镶嵌或使用专用的试台进行试验。

6.试验程序

①试验一般在10～35℃室温下进行，对于温度要求严格的试验，应为（23±5）℃。

②应选用表2-4中给出的试验力进行试验。

注：1.维氏硬度试验可使用大于980.7N的试验力。

2.显微维氏硬度试验的试验力为推荐值。

3.其他的试验力也可以使用，如HV2.5（24.52N）。

③试验台清洁且无其他污物（氧化皮、油脂、灰尘等）。试样应稳固地放置于刚性试验台上以保证试验过程中试样不产生位移。

④使压头与试样表面接触，垂直于试验面施加试验力，加力过程中不应有冲击和振动，直至将试验力施加至规定值。从加力开始至全部试验力施加完毕的时间应在2～8s之间。对于小力值维氏硬度试验和显微维氏硬度试验，加力过程不能超过10s且压头下降速度不应大于0.2mm/s。对于显微维氏硬度试验，压头下降速度应在15～70μm/s之间。试验力保持时间为10～15s。对于特殊材料试样，试验力保持时间可以延长，直至试样不再发生塑性变形，但应在硬度试验结果中注明且误差不超过2s。在整个试验期间，硬度计应避免受到冲击和振动。

⑤任一压痕中心到试样边缘距离，对于钢至少应为压痕对角线长度的2.5倍。两相邻压痕中心之间的距离对于钢至少应为压痕对角线长度的3倍。如果两相邻压痕大小不同，应以较大压痕确定压痕间距。

⑥测量压痕两条对角线的长度，用其算术平均值计算或查表得出维氏硬度值，现一般都由设备直接读出。

五、里氏硬度试验

1.里氏硬度的特点

里氏硬度计仪器轻巧，测试简便、快速，读数方便，适于检测硬度范围很宽的金属材料，并且可以从不同方向进行测试，非常适于在现场对大型工件、组装件进行硬度测试，比肖氏硬度计有了很大的技术进步。

它的缺点是这种试验方法在国际上还没有被普遍接受，迄今还没有被国际标准化组织（ISO）采纳，试验数据在国际上还缺乏来自独立的第三方或国际组织方面的监督与复核。里氏硬度试验要求试样有一定的重量和厚度，不适于测试小工件。

里氏硬度计主要用于在现场快速测试大型的、组装的、不便移动的、不允许切割试样的工件，用于测试大型模具、大型锻造件、铸造件，可以灵活地测试大型工件不同部位的硬度，它是大型工件硬度测试上非常有效实用的检测手段，在国内有取代肖氏硬度计的趋势。

里氏硬度计不能测试表面硬化工件，通过耦合的办法测试小零件往往是不可靠的，目前有被误导测试小零件的倾向。对于中、小零件应尽量采用国际上通用的静态硬度测试方法。与肖氏硬度试验相同，里氏硬度试验结果的比较也是仅限于弹性模量相同或相近的材料。

2.里氏硬度试验原理

里氏硬度试验是使一个保持恒定能量的冲击体弹射到静止的试样上，测量回弹时存在于试样中的残余能量，这个残余能量用来表征硬度的高低。

冲头弹射至试样上时，使试样产生弹性变形和塑性变形，当达到最大冲入速度时，由于弹性使冲头回弹，在回弹期间，冲头的动能重新转换成势能中的相应位移量，冲击和回弹过程的能量公式如下：

在弹射期间　　

在回弹期间　　

式中　m——冲头质量；

g——重力加速度；

hA，hR——弹射高度和回弹高度；

vA，vR——弹射速度和回弹速度。

mghR为残余势能。

现在一般定义里氏硬度的值为用规定质量的冲头在弹射力作用下，以一定的速度冲击试样表面，用冲头在距离试样表面1mm处的回弹速度与冲击速度的比值计算硬度值。公式为

3.里氏硬度试验方法

目前在用的里氏硬度试验方法为GB/T 17394.1—2014《金属材料里氏硬度试验　第1部分：试验方法》。

4.对里氏硬度计的要求

里氏硬度计一般由冲击装置、显示装置和记录装置组成。其中冲击装置是里氏硬度计的关键，它的质量直接影响数据的准确性和正确性。

各种型号的里氏硬度计的冲击装置在结构上大体相同，常用里氏硬度计见图2-11。

里氏硬度计可配置六种不同的冲击装置，D型为基本型，适用于普通硬度检测，其余五种用于各种特殊场合的硬度检测。下面为各种冲击装置的特点。

①D型冲击装置属于通用型，大多数检测都使用D型冲击装置。

②DC型冲击装置很短，采用特殊的加力环，其他与D型冲击装置相同。一般用于测量小空间内的硬度，如内孔、圆柱筒内等。

③D+15型冲击装置头部非常细小，测量线圈后移，一般用于检测沟槽或凹表面的硬度。

④E型冲击装置用人造金刚石制作冲头，一般用于检测极硬材料的硬度。

⑤C型冲击装置冲击能量较小，一般用于检测表面层、薄壁件硬度。

⑥G型冲击装置测量头部加大，冲击能量较大，对表面质量要求较宽，一般用于检测大型铸件和锻件的硬度。

另外，对里氏硬度计示值误差及重复性也有要求，具体见表2-5。

5.对试样的要求

在金属里氏硬度试验中，试样的制备、形状、重量以及表面状态对试验结果都有显著的影响。因此，标准中对试样各方面的各种影响因素都作了规定。

①对试样表面的状态和质量，里氏硬度试验标准中规定：试样的试验面最好为平面，试验面应具有金属光泽，不应有氧化皮及其他污物，试样的表面粗糙度应符合表2-6的规定。

试样是凹、凸圆柱面时，对于里氏硬度试验结果的影响来自两个方面：一方面是冲击瞬间的表面状态的影响；另一方面是冲头打在试样上瞬间位置差的影响。

里氏硬度标准对曲面试样作了如下规定：对于表面为曲面的试样，应使用适当的支撑环，以保证冲头冲击瞬间位置偏差在±0.5mm之内。

对于凹、凸圆柱面或球面试样，其表面曲率半径应符合表2-7的规定。

为了保证里氏硬度结果的准确性，试样表面最好为光滑平面，这是因为里氏硬度计的冲头仅仅在落到试样试验面的瞬间处于导管中规定的位置使用才是正确的。

②里氏硬度试验中还有一个主要要求，那就是试样的重量。试样的重量一定要足够重，以保证在冲击瞬间试样不会产生位移或变形。

③在考虑试样重量时还应考虑试样的厚度和表面硬化层厚度问题。有时试样的重量虽然很大，但是由于较薄部分或凸出部分在冲头冲击时会产生不同程度的位移或弹动，仍会对硬度值产生影响。规定表面硬化层深度不大于0.8mm。

6.试验程序

（1）检查硬度计　为了保证硬度计的工作状态是正常的，在试验前应对硬度计进行检查。一般都是检测与要试验的试样硬度值相接近的硬度块，看其是否在要求范围内，具体要求见表2-8。

当检定的里氏硬度计示值误差在表中规定的范围时，则表明硬度计是符合要求的，可以使用。

（2）试样的支撑与耦合　对于大面积板材、长杆、弯曲件等试样，在试验时应予适当的支撑及固定，以保证冲击时不产生位移及弹动。

对于需要耦合的试样，试验面应与支撑面平行，试样背面和支撑面必须平坦光滑，在耦合平面上涂以适量的耦合剂，使试样与支撑面在垂直于耦合面的方向上成为承受压力的刚性整体。试验时，冲击方向必须垂直于耦合平面。建议用凡士林作为耦合剂。

（3）试验操作　目前采用的里氏硬度计，一般都按照以下程序进行检测。

①向下推动加载套或用其他方式锁住冲击体。

②将冲击装置支撑环紧紧地压在试样表面上，冲击方向应与试验面垂直。

③平稳地按动冲击装置释放按钮。

④读取硬度值。

对试样的每个测量位置一般来说都要进行五次试验，且数据分散不应超过平均值的±15HL。

（4）压痕间距的规定　理论上，每个压痕形成后，在压痕的周围都会有一定的变形硬化区，如果压痕太近，则对硬度值有相对的影响；另外，当压痕距试样边缘太近时，压痕靠边缘部分会产生变形，影响硬度值的准确性，因此GB/T 17394中对压痕之间的距离以及压痕距试样边缘的距离作了规定，见表2-9。