金属材料测试：硬度检测

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。今天铄思百小编就带大家一起了解一下金属材料的硬度测试。

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，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。

下面介绍几种常用的硬度指标：布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。

一、布氏硬度
以一定的载荷(一般3000kg)把一定大小(直径一般为10mm)的淬硬钢球压入材料表面，保持一段时间，去载后，负荷与其压痕面积之比值，即为布氏硬度值(HB)，单位为公斤力/mm2(N/mm2)。原理详见下图：

布氏硬度试验范围上限为650HBW。布氏硬度的符号及表示方法：HBS或HBW之前的数字为硬度值，HBS表示压头为淬硬钢球，用于测定布氏硬度值在450以下的材料，如软钢、灰铸铁和有色金属等。

HBW表示压头为硬质合金，用于测定布氏硬度值在650以下的树料。后面按顺序用数字表示试验条件：

①压头的球体直径；

②试验载荷；

③试验载荷保持的时间(10～15s不标注)。

例如170HBS10/1000/30表示用直径10mm的钢球，在9807N(1000kgf)的试验载荷作用下，保持30s时测得的布氏硬度值为170。

530HBW5/750表示用直径5mm的硬质合金球，在7355N(750kgf)的试验载荷作用下，保持10～15s时测得的布氏硬度值为530。

优点：由于钢球直径较大，在金属表面上留下的压痕也较大，故测得的硬度值比较准确。布氏硬度值和抗拉强度之间有一定的关系，因此可按布氏硬度值近似确定金属材料的抗拉强度。

如被试金属硬度过高，将影响硬度值的准确性，所以布氏硬度试验一般适于测定布氏硬度值小于650的金属材料。

缺点：压痕较大，故不宜测定成品及薄片材料。

常用测试标准：

二、洛氏硬度
当HB>450或者试样过小时，不能采用布氏硬度试验而改用洛氏硬度计量。它是用一个顶角120°的金刚石圆锥体或直径为1.59、3.18mm的钢球，在一定载荷下压入被测材料表面，由压痕的深度求出材料的硬度。原理详见下图：

根据试验材料硬度的不同，分三种不同的标度来表示：

HRA：是采用60kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度极高的材料（如硬质合金等）。

HRB：是采用100kg载荷和直径1.58mm淬硬的钢球，求得的硬度，用于硬度较低的材料（如退火钢、铸铁等）。

HRC：是采用150kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高的材料（如淬火钢等）。

三、维氏硬度
维氏硬度测定原理和方法与布氏硬度基本相同，也是根据单位压痕表面积上所承受的载荷大小来定义硬度值。不同的是测定维氏硬度所用压头为金刚石制成的四方锥体，两相对面夹角a为136°，所加载荷较小。

测定维氏硬度时，也是以一定载荷的力将压头压入试样表面，保持一定时间后卸载，试样表面留下压痕，如下图所示：

与布氏硬度一样，维氏硬度也不标注单位。

当载荷一定时，即可根据d值，求出HV。测定压痕两对角线长度的平均值后查表求HV时，注意载荷单位。

维氏硬度的表示方法与布氏相同，例如640HV30/20前面数值为硬度值，后面数字依次为所加载荷和时间。

根据材料的软硬、厚薄及所测部位的特性不同，需要在不同试验力范围内测定维氏硬度。详见下图：

维氏硬度与布氏硬度及洛氏硬度试验相比，维氏硬度试验具有很多优点。因采用压头为四棱锥体，当载荷改变时，压力角恒定不变，因此，载荷可任意选择，不存在布氏硬度试验中载荷F与球体直径D之间关系的约束。

由于压痕清晰，对角线长度计量精确可靠。此外，维氏硬度测量范围较宽，软硬材料都可以测试。

维氏硬度也不存在洛氏硬度那样不同标尺的硬度无法统一的问题。维氏硬度试验的缺点是硬度测定麻烦，工作效率比洛氏硬度低，不适于成批生产中的常规检验。

由于维氏硬度与布氏硬度的测定原理相同，在材料硬度小于450HV时，维氏硬度值与布氏硬度值大致相同。

小结：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。

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