硬度试验划痕法

测得的硬度值表示材料抵抗表面局部断裂的能力。试验时用一套硬度等级不同的参比材料与被测材料相互进行划痕比较，从而判定被测材料的硬度等级。这一方法是1812年德国人F.莫斯首先提出的。他将参比材料按硬度递增而分为10个等级，依次为：滑石、石膏、方解石、萤石、磷灰石、正长石、石英、黄玉、刚玉、金刚石。用这种方法测出的硬度称为莫氏硬度，主要用于矿物的硬度评定。用于金属的也有 ：莫氏、麻田划痕及锉磨试验等。

硬度试验压入法

测得的硬度值表示材料抵抗表面塑性变形的能力。试验时用一定形状的压头在静载荷作用下压入材料表面，通过测量压痕的面积或深度来计算硬度。

应用较多的有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度试验 3种方法。

硬度试验动力法

采用动态加载，测得的硬度值表示材料抵抗弹性变形的能力。

硬度试验磨损法

对于磨损抵抗谓之磨耗硬度，例如：磨耗试验等。

硬度试验切削法

对于切削或钻削之抵抗谓之切削硬度或切削性，例如：切削硬度试验等。

测量固体材料表面硬度的一种材料机械性能试验。 硬度试验是材料试验中最简便的一种，与其他材料试验如拉伸试验、冲击试验和扭转试验相比，具有以下特点：

①试验可在零件上直接进行而不论零件大小、厚薄和形状；

②试验时留在表面上的痕迹很小，零件不被破坏；

③试验方法简单、迅速。硬度试验在机械工业中广泛用于检验原材料和零件在热处理后的质量。

由于硬度与其他机械性能有一定关系，也可根据硬度估计出零件和材料的其他机械性能。硬度试验方法很多，一般分为划痕法、压入法和动力法3类。

在古代，人们采用金属互压、异物压入或划痕等原始方法比较金属的软硬程度。本世纪二十年代前后，布氏、洛氏、肖氏、维氏等硬度试验 方法相继问世。硬度值虽然不能直接用于机件设计，但因为硬度试验简便易行，常用于材料质量控 制和试验研究。硬度试验可分为静态法和动态法两 类。

硬度试验布氏硬度试验

1900年由瑞典人J.A.布里涅耳首先提出。图1为布氏硬度试验的原理。试验时用一定大小的载荷P(牛顿)把直径为D（毫米）的钢球压入被测材料表面，保持一定时间后卸除载荷，表面留下直径为d（毫米）的压痕，计算出压痕的表面积F，根据下式得出布氏硬度值，用HB表示。

试验在布氏硬度计上进行。适用于各种退火状态下的钢材、铸铁和有色金属，一般用于硬度小于HB 450的场合。布氏硬度压痕较大，一般以10mm及2.5mm的钢球应用最为广泛，因此布氏硬度检测的硬度值最为代表性，较易得出材料的平均硬度，但所测工件表面压痕明显，不适用于检测成品件。

硬度试验洛氏硬度试验

由美国冶金学家S.P.洛克韦尔所提出，是应用最广的试验方法。试验时以锥角为120°的金刚石圆锥或直径为1.588毫米的钢球为压头，先以初载荷P0压入被测件表面，压入深度为h0。再加主载荷P1，总载荷P=P0 P1，此时压入总深度为h1。卸除主载荷P1，由于试样的弹性变形恢复了h2，因此h=h1-h2-h0。由h值根据式可算出硬度值，式中k为常数。实际上，在洛氏硬度计上可以不经计算直接在表盘上读出HR值。

为了用一种硬度计测定从软到硬的材料硬度，须采用不同的压头和总载荷，组成不同的标尺，常用的有HRA、HRB、HRC 3种方法。

洛氏硬度试验适用于各种钢材、有色金属、淬火后的高硬工件和硬质合金等，因其压痕较小，常用于检测成品及半成品的硬度，但对于组织不均匀的材质会出现检测硬度差别较大的可能性。

硬度试验维氏硬度试验

英国维克斯公司提出的一种试验方法，用两相对夹角为136°的正棱形角锥以一定载荷P压入被测件表面，由压痕平均对角线长度d（毫米）计算压痕表面积F（毫米2），则维氏硬度值HV可由下式计算得出

维氏硬度值也可根据压痕对角线长度和载荷查表得出。维氏硬度试验适于用来测定金属镀层或化学热处理后的表面层硬度。

当维氏硬度试验的作用载荷在 1千克力（9.80665牛顿）以下时，称为显微硬度试验。它可测定材料微小区域内的如金属中的非金属夹杂物或单个晶粒的硬度，可用来鉴别金相组织中的不同组成相，或测定极薄层内的硬度。

硬度试验肖氏硬度试验

由美国人A.F.肖尔提出，又称回跳硬度试验。将一个具有一定重量的带有金刚石圆头或钢球的重锤，从一定高度落到被测件的表面，以重锤回跳的高度作为硬度的度量依据。硬度与回跳高度成正比，即回跳的高度越高，材料硬度值越高。肖氏硬度以HS表示。肖氏硬度试验只适合对弹性模量相同的材料进行测定比较。否则就会得到橡皮的HS值高于钢的错误结果。肖氏硬度试验用于测定各种原材料和材料热处理后的硬度。由于肖氏硬度计体积小，携带方便，便于现场应用。

硬度试验动态布氏硬度试验

将钢球在冲击力作用下压入试样表面，测出被测件上的压痕直径，据此求出硬度值。有两种测法：一种是将钢球在已知的弹簧力的作用下，压入被测件表面，根据压痕大小，得出硬度值。另一种是将钢球置于已知硬度的标准杆和被测件之间，用锤敲击，测出标准杆和被测件的压痕大小，进行比较后，求出被测件的硬度。

在各种硬度试验中，对试样的要求有以下几点：

（1）牌号命名规范

针对我国超高强度钢牌号多为引进牌号，目前使用比较混乱的问题，建议按照我国牌号的命名方法，加以统一，并指定专门的机构在使用之前加以注册登记，在最初使用阶段，为识别方便可以加代号加以补充说明，这将有利于产品的推广使用。

对于在国内外较通用的、用途较广泛的超高强度钢牌号，应尽量推广使用，在通用标准中纳入。

（2）基本要求通用化

为了加强超高强度钢产品的质量管理，提高标准的通用化程度，适应市场经济的发展需要， 超高强度钢产品标准中的基本要求一定要通用化。为了达到通用化的目的，最好的办法是制定一个超高强度钢标准的“通用规范”， 即制定“超高强度钢产品检验交货一般要求”国家军用标准。

（3）行业标准协调统一

冶金、航空、航天等部门要统一认识，相互协调、分工负责。规范超高强度钢行业标准的制定原则，协调规范超高强度钢行业标准， 形成冶金、航空、航天等部门超高强度钢行业标准的统一体系。2100433B

洛氏硬度试验是简便、迅速的硬度测试方法。洛氏硬度试验方法广泛应用於生产制造、科学研究的各个领域。

洛氏硬度的符号以HR表示。为适应各种不同材料的应用，根据所用的压头及试验力的不同组合区分为洛氏硬度标尺（A、B、C、D、E、F、G、H、K、L、M、P、R、S、V……）。

布氏硬度试验原理

布氏硬度HB的计算式为 ：

式中 d——压痕直径，mm；h——压痕深度，mm。

只要测出压痕直径，即可通过计算或查表求出 HB值。

试验时根据材料的性质和形状选用不同的载荷和钢球直径。布氏硬度的试验方法和技术要求可参见GB231—63。

布氏硬度试验的优点是代表性强，数据重复性好，与强度之间存在一定的换算关系。缺点是不能测试较硬的材料；压痕较大，不适于成品检验。通常用来检验铸铁、有色金属、低合金钢等原材料和调质件的硬度。

布氏硬度试验条件

布氏硬度试验时，压头球体的直径D、试验载荷F及载荷保持的时间 t，应根据被试金属材料的种类、硬度值的范围及厚度进行选择。 常用的压头直径 1、2、2.5、5和10毫米五种。

试验载荷可从9.807N （1kgf）~29.42 KN （3000 kgf）范围内，

载荷保持的时间，一般黑色金属为10～15s；有色金属为30s；布氏硬度值小于35时为60s。

布氏硬度优缺点

钢球直径较大，在金属材料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。

布氏硬度压痕较大，故不宜测定成品及薄片材料。

布氏硬度注意事项

HBS和HBW都是布氏硬度符号，但是有区别，而且HBS已经停止使用。在2003年6月1日以前，我国执行的是国家标准GB/T231-1984，布氏硬度试验用钢球压头进行试验的用HBS表示，用硬质合金球头试验的用HBW表示。同样的试块，当其它试验条件完全相同的情况下，两种试验结果不同，HBW值往往大于HBS值，而且并无定量的规律所循。

从2003年6月1日开始，原国标GB/T231-1984废止，我国等效执行国际标准ISO6506，制定了新的国家标准：GB/T231.1-2002，文中明确取消了钢球压头，全部采用硬质合金球头。因此HBS停止使用，全部用HBW表示布氏硬度符号。

2018年5月14日起，有关布氏硬度实验标准已更新为“GB∕T 231.1-2018 金属材料 布氏硬度试验 第1部分: 试验方法”版本，GB/T 231.1-2009已废止。

维氏硬度试验法是用夹角为136°的正四棱锥体金刚石压头，在规定载荷作用下压入被测试金属表面来测量硬度，并以压痕单位面积所受的压力作为计量硬度的指标，维氏硬度以符号HV来表示。维氏硬度试验法的特点是能适应各种软硬材料以及薄层、表层和显微区域的硬度测定，而且测量精度高，但试样制作要求高、操作较复杂。

维氏硬度试验法相对于布氏和洛氏硬度而言，有以下优点。

1.试验负荷可任意选用，不同负荷下的压痕都满足相似原理，这样可便于不同软硬或厚薄试样，以及薄层、表层及显微区域的硬度测定，并保证同一试样所测硬度，不受试验负荷的影响。

2.压头采用金剐石四方角锥，故可像洛氏硬度一样适用于各种软硬材料，但又克服了洛氏硬度各种标度不能统一的缺点，见图3。

3.由于金刚石四方角锥的压痕轮廓比布氏的球形轮廓清晰，因此测量压痕对角线时，比布氏法测量压痕直径更准确；另外，四方角锥的压痕对角线长度刚好是压入深度的7倍，所以测量压痕对角线长度比洛氏硬度测定压入深度更准确；故用维氏硬度试验法测维氏硬度压头角锥锥面夹角的确定定硬度精确度高，特别适用于测定高硬度、薄层、显微区域（压痕都很小）的硬度试验。

4.由于选用夹角为136°的四方角锥，可以使维氏硬度的压痕面积F_凹和布氏硬度的压痕面积F_凹相等，这样维氏硬度试验法所测数值HV与布氏硬度法所测数值HB基本相等，维氏硬度值与抗拉强度之间也保持一定关系。但是在HB大于400时，由于钢球本身变形之故，布氏硬度值HB小于维氏硬度值HV。如图4所示，可以证明压痕直径为0.375D（D为钢球直径）的球形凹陷面积正好与面夹角为136°的四方角锥凹陷面积相等。

维氏硬度与布氏硬度一样，也是根据压痕凹陷面积上所受的应力来确定其硬度值。即

式中，F-试验力（N）；

S₀-压痕凹陷面积（mm²）。

但维氏硬度所用的压头不是钢球，而是锥面夹角为136°的金刚石四方角锥。由于采用的是金刚石四方角锥，不管压头上的试验力如何改变，试样上压痕的几何形状恒相似。因此，维氏硬度试验时，试验力F的大小可任意选择。经计算可证明：

式中，F-试验力（N）；

d-压痕对角线长度的算术平均值（mm）。

一式可用来计算维氏硬度值，但实际生产中常用直接查表方法来获得HV数值。一般硬度计说明书上都供应一系列标准试验力下的HV-d关系表，只要测出压痕对角线长度d，根据所用的试验力，在相应的关系表中即可查出HV值。另外，用于测定钢表面硬化层、渗层和镀层硬度的小负荷维氏硬度计，以及用于测定显微组织硬度的显微硬度计，其试验原理与维氏硬度的试验原理相同，只是施加的试验力更小，产生的压痕也越小，而试验机上测量对角线用的显微镜则有更高的放大倍数。为此，我国参照ISO标准将原来的3个国家标准《金属维氏硬度试验方法》、《金属小负荷维氏硬度试验方法》、《金属显微维氏硬度试验方法》，合并为一个国家标准GB/T 4340.1-1999《金属维氏硬度试验第一部分：试验方法》。