金属材料各种硬度测量方法的优点及缺点

硬度是衡量金属材料软硬程度的指标，是指金属材料在静载荷作用下抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕、划痕的能力，硬度较高的金属材料具有较强的抗磨损能力。它在一定程度上反映了材料的综合力学性能指标。硬度值的大小不仅取决材料本身的性能，而且还取决于测量方法和条件。用不同的方法测定的硬度值具有不同的意义。

硬度的测量方法较多，生产中最常用的有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度3种试验方法。

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布氏硬度试验

布氏硬度试验是在载荷F作用下，将直径D的硬质合金球压头压入到被测金属表面，保持规定时间后卸除载荷，测量被测材料表面留下压痕的平均直径d，根据d计算出压痕面积S，最后求出压痕单位面积上承受的平均压力，以此作为被测金属材料的布氏硬度值，如图1所示。

图1 布氏硬度试验原理示意图

布氏硬度的表示方法为：硬度值﹢硬度符号﹢试验条件。如200HBW10/1000/30表示用10mm直径的硬质合金球压头，在1000kgf（9.807kN）作用下，保持30s（持续时间为10～15s时，可以不标出），测定的布氏硬度值为200。

一般在零件图样和工艺文件上标注材料要求的布氏硬度时，不规定试验条件，只需标出要求的硬度值范围和硬度符号，如200～230HBW。

布氏硬度的应用及优缺点

布氏硬度试验法的优点是试样上压痕面积较大，能较好反映材料的平均硬度值，数据比较稳定，重复性好。

缺点是测试麻烦，压痕较大，对材料表面的损伤也较大，不适合测试成品件及薄件材料。布氏硬度适用于铸铁、非铁金属及经过退火、正火及调质处理的钢材，特别是对于软金属，如铝、铅、锡等更合适。

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洛氏硬度试验

洛氏硬度试验是采用顶角为120°的金刚石圆锥体或一定直径的钢球为压头，以规定的试验力将其压入试样表面。试验时，先加初试验力，然后加主试验力，压入试样表面，经过规定的保持时间后，卸除主试验力，在保留初试验力的情况下，以残余压痕深度计算硬度的试验方法。其原理如图2所示。

图2 洛氏硬度试验原理示意图

洛氏硬度值是以残余压痕深度h大小确定，压痕深度h越大，硬度越低；反之则硬度越高。为了照顾习惯上数值越大，硬度越高的概念，一般用一个常数k减去压入深度h作为硬度值，并以0.002mm的压痕深度为一个硬度单位。由此获得的硬度值称为洛氏硬度值，用符号HR表示。布氏硬度试验时，一般均由硬度计的指示器上直接读出。

为了能用同一硬度计测量从软到硬或薄厚试样的材料硬度，需要采用有不同的压头和载荷组成的A、B、C、D、E、F、G、H、K等9种洛氏硬度标尺，此外还有6种表面洛氏硬度，共15种。最常用的是A、B、C三种标尺，分别记作HRA、HRB、HRC，其中洛氏硬度C标尺应用最广。

洛氏硬度不标单位，是一个无量纲的力学性能指标，表示方法是将硬度值写在硬度符号前面。例如，50HRC表示用C标尺测定的洛氏硬度值为50。洛氏硬度各标尺之间没有对应关系，洛氏硬度试验条件及应用范围如下表所示。

洛氏硬度的应用及优缺点

洛氏硬度试验方法是目前应用最广泛的硬度测试方法。它的优点是测量迅速简便，压痕较小，可用于测量产品件；缺点是由于压痕较小，测得的硬度不够准确，数据重复性差。因此，在测试金属的洛氏硬度时，需要选取不同部位测试3次，取其平均值为该材料的硬度值。

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维氏硬度试验

维氏硬度试验原理与布氏硬度试验原理相似，也是根据压痕单位表面积上的试验力大小来计算硬度值，不同的是维氏硬度采用相对面夹角为136°的正四棱锥体金刚石作压头，试验原理如图3所示。

图3 维氏硬度的试验原理示意图

试验时，以选定的试验力将压头压入试样表面。经规定的保持时间后，卸除试验力，测量压痕对角线长度，可计算出压痕表面积，压痕单位表面积所承受的平均压力即为维氏硬度值，用符号HV表示。

在实际测试时，维氏硬度值不用计算，而是用测微计测出压痕对角线的长度，计算出平均值后，再根据d的大小查GB/T 4340.1—2009附表，即可求出所测硬度值。

维氏硬度试验所用的试验力根据试件的大小、薄厚及其他条件选择，常用试验力在49.03～980.7N（5～100kgf）范围内。

维氏硬度的表示方法与布氏硬度相同，在符号HV的前面写硬度值，试验条件写在符号的后面，若试验力保持时间为10～15s时，可以不标出。如640HV30/20表示在30 kgf（294.2N）试验力作用下，保持20s测得的维氏硬度值为640。

维氏硬度的应用及优缺点

维氏硬度的优点是试验载荷小，压痕较浅，适用范围宽，测试范围在5～3000HV，可以测定从极软到极硬的各种金属材料，尤其适于测量零件表面淬火层及化学热处理的表面层等。同时维氏硬度只用一种标尺，材料的硬度可以直接通过维氏硬度值比较大小，不存在布氏硬度试验力F与球体直径 D之间关系的约束，也不存在洛氏硬度那样不同标尺的硬度无法统一的问题。维氏硬度的缺点是对试样表面要求高，压痕对角线长度测量比较麻烦，不适于大批测试。