金属硬度测试方法：布氏硬度和洛氏硬度

硬度是指金属材料抵抗局部变形或者抵抗其他物质刻划或压入其表面的能力，是重要的力学性能指标之一。通常材料的硬度越高，耐磨性越好，因此，常将硬度值作为衡量材料耐磨性的重要指标。在汽车维修行业中所用的模具、量具、刀具等都要求有足够高的硬度，否则就无法正常工作。

由于测定硬度的试验设备比较简单，操作方便，且属于非破坏性试验，因此，在实际生产中对一般机械零件，大多通过测试硬度来检测力学性能。零件图中对金属材料力学性能的要求往往只标注硬度值。

测定硬度的方法很多，主要有压入法、划痕法、回跳法。生产中常用的是压入法，即在一定外加载荷作用下，将比工件更硬的压头缓慢压入被测工件表面，使金属局部产生塑性变形，从而形成压痕，然后根据压痕面积大小或压痕深度来确定硬度值。

根据压头和外加载荷的不同，常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。

1.布氏硬度

布氏硬度是在布氏硬度计（见图2-7）上测得的，用符号HBW表示，其试验原理如图2-8所示。使用直径为D的淬火钢球或硬质合金球作为压头，以规定的试验载荷F压入被测金属表面，保持规定时间后卸除载荷，此时在被测金属表面上会留下直径为d的球形压痕。计算压痕单位面积上所受的平均压力（即所加载荷与压痕面积的比值），即为该金属的布氏硬度值。

从上式可以看出，当载荷F和压头直径D一定时，布氏硬度值仅与压痕直径d的大小有关。d越小，说明压痕面积越小，布氏硬度值越大，也就是硬度值越高。在实际应用中，布氏硬度值不用计算，只需使用读数显微镜测出压痕平均直径d的大小，在压痕直径与布氏硬度对照表中，即可查出相应的布氏硬度值。布氏硬度值一般不标注单位。

通常硬度值小于450 HBW的材料，宜用淬火钢球作压头；硬度值大于450 HBW的材料，宜用硬质合金球作压头。标注时，习惯上把硬度值写在符号HBW之前，后面按以下顺序数字注明试验条件：球体直径、测试时所加载荷（常用千克力kgf作单位）、载荷保持的时间（保持10～15 s时不标注）。例如，某种材料的布氏硬度是180 HBW10/1000/30，表示用直径10 mm的淬火钢球，在1000 kgf（9807 N）的载荷作用下，保持30 s时测得的硬度值为180。布氏硬度是530 HBW5/750，表示用直径5 mm的硬质合金球，在750 kgf（7355 N）的载荷作用下，保持10～15 s时测得的硬度值为530。

图2-7　布氏硬度计

图2-8　布氏硬度试验原理示意图

布氏硬度试验应根据被测金属材料的种类和试样厚度，选用不同大小的球体直径D、施加载荷F和保持时间，按表2-2所列的布氏硬度试验规范正确选择。按GB/T 231.1—2009规定，球体直径有10 mm、5 mm、2.5 mm和1 mm四种，试验载荷（单位为kgf）与球体直径平方的比值（F/D2）有30、15、10、5、2.5和1共六种。

布氏硬度试验的优点是数据准确、稳定、重复性强；缺点是压痕较大，易损伤零件表面，不能测量太薄、太硬的材料。布氏硬度试验常用来测量退火钢、正火钢、调质钢、铸铁及有色金属的硬度，布氏硬度试验规范如表2-2所示。

表2-2　布氏硬度试验规范

2.洛氏硬度

洛氏硬度是在洛氏硬度计（见图2-9）上测得的，用符号HR表示。其试验原理如图2-10所示。

用顶角为120°的金刚石圆锥体或直径为1.588 mm的淬火钢球作为压头，先施加初始载荷Fe（目的是消除因为零件表面不光滑等因素造成的误差），压入金属表面的深度为h1（压头到图2-10中的1-1位置），然后施加主载荷F1，在总载荷F（F=F0+F1）的作用下，压入金属表面的深度为h2（压头到图2-10中的2-2位置），待表头指针稳定后，卸除主载荷，由于金属弹性变形的恢复而使压头回升至h3（压头到图2-10中的3-3位置），压头实际压入金属的深度为h=h3-h1，并以压痕深度h值的大小衡量被测金属的硬度。显然，h值越大，被测金属硬度越低；反之则越高。为了适应人们习惯上数值越大，硬度越高的概念，规定用常数K减去h/0.002（表示每0.002 mm的压痕深度为一个硬度单位）作为硬度值，即

图2-9　洛氏硬度计

图2-10　洛氏硬度试验原理示意图

式中：K——常数，当用金刚石压头时K为100，用淬火钢球压头时K为130；(www.xing528.com)

h——卸除主载荷后测得的压痕深度。

实际应用时，可以直接从洛氏硬度计刻度盘上读出洛氏硬度值。

为了能够用一台硬度计测量从软到硬不同金属材料的硬度，洛氏硬度采用了不同的压头和载荷组成不同的硬度标尺，并用字母在HR后面加以注明。常用的洛氏硬度标尺有HRA、HRB、HRC三种，其中HRC应用最为广泛。

洛氏硬度标注时，将所测定的洛氏硬度值写在相应标尺的硬度符号之前，如75HRA、90HRB、60HRC等。常用洛氏硬度试验规范及应用举例如表2-3所示。

表2-3　常用洛氏硬度试验规范及应用举例

洛氏硬度试验操作简便，可以直接从刻度盘上读出硬度值。其压痕较小，基本不损坏零件表面，可直接测量成品和较薄零件的硬度。但由于压痕较小，试验数据不太稳定，所以，需要在不同部位测三点取算术平均值。

洛氏硬度试验主要适用于测定铜、铝等有色金属及其合金，硬质合金，表面淬火、渗碳件以及退火、正火和淬火钢件的硬度。

3.维氏硬度

由于布氏硬度试验不适合测定硬度较高的金属，而洛氏硬度试验虽可用来测定各种金属的硬度，但由于采用了不同的压头和载荷，不同标尺间硬度值彼此没有联系，因此不能直接换算。为了使硬度不同的金属有一个连续一致的硬度标准，制定了维氏硬度试验法。

维氏硬度的试验原理和布氏硬度基本相似，也是根据压痕单位面积上的载荷大小来计算硬度值。区别在于其压头采用相对面夹角为136°的金刚石正四棱锥，在规定载荷F作用下压入被测金属表面，保持一定时间后卸除载荷，然后再测量压痕投影的两对角线的平均长度d，如图2-11所示。维氏硬度用符号HV表示，计算公式为

式中：F——作用在压头上的载荷（N）；

d——压痕两条对角线长度的算术平均值（mm）。

试验时，用测微计测出压痕两条对角线的长度，算出其平均值后，经查表就可得出维氏硬度值。

维氏硬度标注方法与布氏硬度相同，硬度数值写在符号前面，试验条件写在后面。对钢及铸铁，试验载荷保持时间为10～15 s时，可以不标出。例如：640HV30/20，表示用30 kgf（294.2 N）试验载荷，保持20 s测定的维氏硬度值为640。

维氏硬度试验时所加的载荷小（常用的试验载荷有5 kgf、10 kgf、20 kgf、30 kgf、50 kgf、100 kgf），压入深度较浅，可测量较薄的材料，也可测量表面淬硬层及化学热处理的表面层硬度（如渗碳层、渗氮层）。由于维氏硬度值具有连续性，故可测定很软到很硬的各种金属材料的硬度且准确性高。维氏硬度试验的缺点是操作过程及压痕测量较费时间，生产效率不如洛氏硬度试验高，故不适合成批生产中的常规检验。

图2-11　维氏硬度试验原理示意图

对于承受冲击载荷的零件，如冲床的冲头、锻锤的锻杆、发动机曲轴等，不仅要满足在静力作用下的强度、塑性、硬度等性能判据，还必须具备足够的韧性。韧性是指金属在断裂前吸收变形能量的能力。韧性的判据是通过冲击试验测定的。

前面讨论的都是在静载荷作用下测得的力学性能指标。实际上，汽车上大多数零件承受的不是静载荷，而是动载荷（冲击载荷和交变载荷）。汽车起步、加速、紧急制动、停车时，变速器中的齿轮、传动轴，后桥中的半轴、差速器齿轮等零件受到的载荷，即属于冲击载荷。而曲轴、连杆、轴承、弹簧等汽车零件，在工作过程中往往受到大小或方向随时间呈周期性变化的交变载荷。在动载荷作用下测得的力学性能指标主要有冲击韧性和抗疲劳强度。