硬度试验-钢材检验

硬度试验1、什么是硬度？金属的硬度，是金属材料抵抗局部变形，特别是抵抗塑性变形、压痕或划痕的能力，同时也是衡量金属软硬程度的判据。测定金属材料的硬度能够给出其软硬程度的数量概念。由于金属表面以不同深处所承受的应力和产生的变形程度不同，因此硬度值可以综合地反映压痕附件局部体积内金属的弹性、微量塑变强化能力以及大量形变抗力。通常金属的硬度越高，抵抗塑性变形的能力就越大，亦即产生塑性变形就越困难。此外，硬度与其它力学性能（如抗拉强度、延伸率和断面收缩率）也有着一定的内在联系，所以从某种意义上来说，硬度的高低对机械零件或工具的使用性能和使用寿命均具有决定性的意义。总体而言，硬度是衡量金属材料软硬程度的一个力学性能指标，它表示金属表面上的局部体积内抵抗变形的能力

。硬度不是一个简单的物理概念，而是材料弹性、塑性、强度和韧性等力学性能的综合指标。广泛用于金属材料性能检测、工艺质量监督和新材料研发第一节硬度概述2、硬度分类

（1）划痕硬度：主要用于比较不同矿物的软硬程度，方法是选一根一端硬一端软的棒，将被测材料沿棒划过，根据出现划痕的位置确定被测材料的软硬。定性地说，硬物体划出的划痕长，软物体划出的划痕短。如莫氏硬度。（2）压入硬度：主要用于金属材料，方法是用一定的载荷将规定的压头压入被测材料，以材料表面局部塑性变形的大小比较被测材料的软硬。

压入硬度属于静力压入法，静态的。由于压头、载荷以及载荷持续时间的不同，压入硬度有多种，主要是布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度等几种。

（3）回跳硬度：主要用于金属材料，方法是使一特制的球体从一定高度自由下落冲击被测材料的试样，并以试样在冲击过程中储存（继而释放）应变能的多少（通过小锤的回跳高度测定）确定材料的硬度。

回跳硬度属于动力压入法，如肖氏硬度和里氏硬度属于动力试验法，试验力为动态、具有冲击性。

3、硬度的特点（1）试验时应力最小，因而无论是塑性材料还是脆性材料均能产生塑性变形。（2）金属的硬度与强度指标存在一定对应关系，如布氏硬度：

Rm=K*HB

式中：Rm----材料的抗拉强度

HB----布氏硬度

K----系数退回状态的碳素钢，其K=0.34-0.36；合金调质钢，其K=0.33-0.35。（3）材料的硬度与其耐磨性、疲劳强度等性能均有一定的关系。通常，硬度愈高，这些性能愈好。（4）测定金属的硬度时，由于其局部体积内近产生很小的压痕，并不影响零件的使用，所以这种检验方法适合于成品检验。（5）设备简单，操作迅速方便。第二节常见硬度的原理与测量一、布氏硬度布氏硬度的工作原理是对一定直径D的碳化钨合金球以一定试验力F压入试样表面，经过规定保持时间后，卸除试验力，测量被测表面压痕直径。布氏硬度值是试验力除以压痕球形表面积所得的商。布氏硬度值HBW与试验力除以压痕表面积的商成正比。由于压痕深度测量较困难，将其换算为压痕直径的关系。布氏硬度HB的计算式为：

其中：d—压痕直径，mm；h—压痕深度，mm。布氏硬度试验原理示意图只要测出压痕直径，即可通过计算或查表求出HB值。布氏硬度表示方法：按照GB/T231.1-2018金属材料布氏硬度试验第1部分：试验方法布氏硬度注意事项：1、2、布氏硬度优缺点以及应用范围：

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。因此布氏硬度测量法适用于铸铁、非铁合金、各种退火及调质的钢材，不宜测定太硬、太小、太薄和表面不允许有较大压痕的试样或工件。布氏硬度注意事项：3、第二节常见硬度的原理与测量二、洛氏硬度采用金刚石圆锥体或一定直径的淬火钢球作压头，压入金属材料表面，测量其压痕深度计算确定硬度的大小，这种方法测量的硬度为洛氏硬度。按照GB/T230.1-2018金属材料洛氏硬度试验第1部分：试验方法，洛氏硬度：洛氏硬度是以压痕塑性变形深度来确定硬度值的指标，以0.002毫米作为一个硬度单位。在洛氏硬度试验中采用不同的压头和不同的试验力，会产生不同的组合，对应于洛氏硬度不同的标尺。二、洛氏硬度洛氏硬度试验采用三种试验力，三种压头，它们共有9种组合，对应于洛氏硬度的9个标尺：HRA、HRB、HRC、HRD、HRE、HRF、HRG、HRH和HRK。这9个标尺的应用涵盖了几乎所有常用的金属材料。要根据实验材料硬度的不同，选用不同硬度范围的标尺来表示：HRA60kg载荷金刚石锥压入器；HRB100kg载荷1/16"直径钢球压头；HRC150kg载荷金刚石锥压入器；最常用标尺是HRC、HRB和HRF，其中HRC标尺用于测试淬火钢、回火钢、调质钢和部分不锈钢。这是金属加工行业应用最多的硬度试验方法。HRB标尺用于测试各种退火钢、正火钢、软钢、部分不锈钢及较硬的铜合金。HRF标尺用于测试纯铜、较软的铜合金和硬铝合金。HRA标尺尽管也可用于大多数黑色金属，但是实际应用上一般只限于测试硬质合金和薄硬钢带材料。

二、洛氏硬度

表面洛氏硬度试验采用三种试验力，两种压头，它们有6种组合，对应于表面洛氏硬度的6个标尺。表面洛氏硬度试验是对洛氏硬度试验的一种补充，在采用洛氏硬度试验时，当遇到材料较薄，试样较小，表面硬化层较浅或测试表面镀覆层时，就应改用表面洛氏硬度试验。这时采用与洛氏硬度试验相同的压头，采用只有洛氏硬度试验几分之一大小的试验力，就可以在上述试样上得到有效的硬度试验结果。表面洛氏硬度的N标尺适用于类似洛氏硬度的HRC、HRA和HRD测试的材料；T标尺适用于类似洛氏硬度的HRB、HRF和HRG测试的材料。洛氏硬度计和表面洛氏硬度计的标尺（即不同的压头和试验力组合）通常按材料种类、试样厚度和硬度范围三方面的因素来选择，具体选择方法叙述如下：按材料种类选择A标尺多用于测量碳化钨、硬质合金、表面硬化零件等等的硬度；B标尺多用于测量有色金属、合金及退火钢等低硬度的零件的硬度；C标尺多用于测量碳钢、工具钢及合金钢等经淬火、回火处理的试样的硬度。按材料选择并不是一种严格的做法。因为每一种材料随着其所采用的不同的热处理工艺，其最终硬度不可能相同，因此所适应的硬度标尺也不会相同。洛氏硬度注意事项：1、2、3、第二节常见硬度的原理与测量三、维氏硬度维氏硬度(HV)是以一定的试验力和相对面夹角为136°的正四棱锥形金刚石压入器压入材料表面，保持规定时间后，测量压痕对角线长度，用试验力除以材料压痕凹坑的表面积的值，单位为N/mm2。按照GB/T4340.1-2024金属材料维氏硬度试验第1部分：试验方法，维氏硬度：

维氏硬度表示方法：维氏硬度计测量范围宽广，可以测量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。GB/T4340.1-2024标准，维氏硬度注意事项：1、2、GB/T4340.1-2024标准，维氏硬度注意事项：2、第二节常见硬度的原理与测量四、里氏硬度按照GB/T17394.1-2014金属材料里氏硬度试验第1部分：试验方法里氏硬度计（LeebHardnessTester）是一种用于测量材料硬度的便携式仪器。它采用了非破坏性的测试方法，可以快速、准确地对金属材料的硬度进行评估。里氏硬度计广泛应用于机械制造、金属加工、航空航天、汽车等领域，为质量控制和材料分析提供了重要的参考数据。（一）里氏硬度优缺点以及应用范围：1、优点：便携性好：里氏硬度计体积小、重量轻，便于携带。例如，在野外对大型机械零部件或者建筑结构进行硬度检测时，可以很方便地将仪器带到现场操作。操作简便：其操作相对简单，对操作人员的专业要求不是特别高。一般只需要将冲击装置垂直地对准被测物体表面，按下测试按钮就可以进行测量。对被测物体损伤小：因为是弹性冲击，在材料表面留下的压痕非常小，对于一些表面质量要求高或者不允许有较大损伤的材料检测很合适，如一些精密机械零件或者装饰性的金属表面。2、缺点：精度受多种因素影响：测量精度会受到被测材料的表面粗糙度、材料的内部组织结构不均匀性、测试时冲击体的垂直度、材料的弹性模量等因素的影响。例如，如果材料表面很粗糙，可能会导致冲击体的回弹受到干扰，使测量结果不准确。需要校准：里氏硬度计需要定期校准，以确保测量的准确性。而且不同的材料可能需要不同的校准方式，这增加了使用的复杂性。3、应用范围金属材料检测：广泛应用于钢铁、有色金属等各种金属材料的硬度检测。在机械制造行业，可以用来检测机床刀具、模具、齿轮等零部件的硬度。例如，在汽车制造中，对发动机的曲轴、连杆等部件进行硬度检测，确保其质量符合要求。大型结构件检测：对于大型的焊接结构、桥梁、压力容器等结构的硬度检测也很有用。在建筑行业，可以对钢结构建筑的梁柱等进行硬度监测，评估其力学性能和质量。（二）里氏硬度注意事项：1、2、（二）里氏硬度注意事项：3、4、（三）里氏硬度标尺的选择（ASTMA956/A956M）：（三）里氏硬度标尺的选择（ASTMA956/A956M）：（四）影响里氏硬度测定结果的主要操作误差因素1、材料的弹性模量对里氏硬度计测定结果的影响里氏硬度计的测定除受材料强度的影响外，还要受材料的弹性模量E的影响。由于各种金属材料化学成分、加工工艺和热处理状态不同，他们的E值也各不相同，所以在测量LD时一定要注意各种被测金属材料的E值，以免测量结果有误。

2、测试前用标准试块进行校准，符合要求才能进行测试一般的校验操作，以垂直向下方向在高硬度里氏标块上均布的测试五次(这五次硬度值应不含有粗大误差值，否则应删除并补足次)。粗大误差值是对同一试样进行一组多次等精密测量时出现的因不正常因素造成明显偏差的误差。2.1误差分类及处理误差在出厂标准之内(如±6HL)，硬度计性能良好，可以正常使用；误差在±12HL以外的，硬度计性能降低太大，应送生产厂商修理；误差在出厂标准和±12HL之间的可以用于上产，但需要对测试值进行修正。2.2误差值修正校验误差在标准和±12HL之间时，在实际应用中应测试值HL按下式修正后作为硬度值：

HL=HL1*（HL标/HL标测）

HL1为试件测试值；HL标为标块标准值；HL标测为标块测试值。3、试件表面粗糙度有些里氏硬度试验操作人员对粗糙的影响重视不足。在布氏、维氏那样的静态硬度试验中，粗糙度对示值的影响更多的是因为较大的粗糙度使压痕边缘不清晰而造成人眼读数不准，那么既然里氏硬度试验示值是仪器电路自动显示的，所以表面粗糙度的影响该是较小，这种认识是不准确、不全面的。里氏硬度计由于载荷的变动，示值受粗糙度的影响不但十分明显且只会偏低。由于事实上并不存在Ra=O的理想表面，而微小R微不足道，因此标准中规定：D、DC型-Ra<1.6；G型一Ra<6.3；C型-Ra<0.4}。被测试件表面粗糙度大，表面凹凸不平，当冲头落在试件表面上时，使凸起的部分产生了变形，吸收了冲头的冲击能量，从而降低了冲头回弹速度，使测量值偏小。另外，由于凹凸表面的不规则性，使冲头下落时消耗的能量不定，因此各次试验数据的离散性变大。4、测量点的间距

每次对试件进行测量，都会在试件表面形成压痕，每个压痕形成后，在压痕的周围会形成相应的“冷作硬化”，从而使该区域的硬度值增加，因此新压痕及其应力区应离开这个区域，否则硬度值就会偏高。由于里氏硬度冲击装置没有精确调整的压痕中心定位机构，压痕间距一般要求由操作者目测控制，因此对D型冲击装置压痕最小中心距离为3mm；对C型冲击装置压痕最小中心距离为2mm；对G型冲击装置压痕最小中心距离为4mm。

当压痕距试件边缘过近时，会使压痕靠近边缘部分产生变形，在冲头回弹过程中产生分向切速度，使冲头有效回弹速度VR减小，使测量结果变小。5、冲头的冲击方向因为里氏硬度计是以具有最大冲击能量的垂直向下方向测得的，与其他方向相比测试值由于重力和摩擦的作用使VA和VR产生相应变化使冲击能量降低，因此其他方向的测试值均需要修正，且方向偏离垂直向下越大，修正的绝对值越大。方向的修正值共分为四档，分别为对应斜向下、水平、斜向上、垂直向上四个方向。相邻方向差为45°。对同一种冲击装置、同一个要修正的方向，试件硬度越低，塑性变形就越大，弹性变形就相对变小，变形修正值的绝对值越大，反之亦然。各种冲击装置的方向修正表各不相同。每种冲击装置的方向修正值与试件材料的种类无关。在试验过程中应首选垂直向下测试。备注：6、试件的厚度里氏硬度试验方法对均匀性能材质试样试验部位在试验方向上的厚度要求与布、洛、维氏等静态硬度方法对厚度的要求有所不同，里氏硬度试样对厚度的要求不仅要防止被打穿，还要防止因形状原因使试样在受到载荷冲击时发生弹性或塑形变形，一旦发生变形就必然会使回弹速度降低，使测试结果变小。对于厚壁试件，厚度对测试结果的影响不是很敏感；而薄壁管，试件的刚性降低，容易吸收冲击能量产生塑形位置变化和振动，从而使冲头回弹速度VR降低，造成测量值偏低。7、多次打磨凹坑在多次打磨侧量后，试件表面就会产生凹坑，导致冲头距离试件的距离增大，因此使VR明显减小使测量结果变小。8、系统稳定性任何准确、有效的试验都要求尽可能地避免各种外来的干扰。对于动态的里氏硬度试验，系统稳定就显得尤为重要。这里的系统