硬度测试

核心原理

常见测试方法与适用场景

一、金属及硬质材料常用方法

1. 布氏硬度（Brinell Hardness, HB）

• 原理：用直径 1~10mm 的硬质合金球（或钢球），在大载荷（250~3000kgf）下压入材料表面，保持一定时间后，测量压痕直径，通过公式计算硬度值（单位：HBW，硬质合金球）。

• 适用材料：硬度较低的金属（如低碳钢、铸铁、铜合金、铝合金），或表面较粗糙的材料（允许较大压痕）。

• 优点：压痕大，结果代表性强（反映材料整体硬度）；

• 缺点：压痕会损坏样品，不适合薄材料或精密零件。

• 标准：GB/T 231.1、ISO 6506-1、ASTM E10。

2. 洛氏硬度（Rockwell Hardness, HR）

• 原理：用金刚石圆锥（顶角 120°）或钢球（直径 1.588mm）作为压头，先施加预载荷（10kgf），再施加主载荷（60/100/150kgf），卸载后根据压痕深度差计算硬度值。

• 特点：分多个 “标尺”，对应不同压头和载荷，覆盖不同硬度范围：

• HRC：金刚石圆锥 + 150kgf，适用于高硬度材料（如淬火钢、工具钢，硬度 20~70HRC）；

• HRB：钢球 + 100kgf，适用于中低硬度材料（如软钢、铜合金，20~100HRB）；

• HRA：金刚石圆锥 + 60kgf，适用于超硬材料（如硬质合金，20~88HRA）。

• 优点：压痕小（对样品损伤小）、测试速度快，适合批量检测；

• 缺点：压痕小，代表性较差（需多测取平均值）。

• 标准：GB/T 230.1、ISO 6508-1、ASTM E18。

3. 维氏硬度（Vickers Hardness, HV）

• 原理：用正方形金刚石棱锥（顶角 136°）作为压头，在小载荷（1~120kgf）下压入材料，测量压痕对角线长度，通过公式计算硬度值（单位：HV）。

• 适用材料：薄材料（如薄片、涂层）、高硬度材料（如陶瓷、硬质合金）、精密零件（如齿轮齿面）。

• 优点：载荷范围宽（可测极软到极硬材料），精度高，不同载荷下结果可直接比较（无标尺差异）；

• 缺点：测试效率低（需测量对角线，适合实验室精密测试）。

• 标准：GB/T 4340.1、ISO 6507-1、ASTM E92。

4. 里氏硬度（Leeb Hardness, HL）

• 原理：通过冲击体（带金刚石压头）以固定速度冲击材料表面，测量反弹速度，计算硬度值（HL），可换算为 HB、HR 等其他硬度值。

• 适用场景：大型工件（如机床导轨、压力容器）的现场测试（无需取样，便携）。

• 标准：GB/T 17394、ISO 16859、ASTM A956。

二、非金属材料常用方法

1. 邵氏硬度（Shore Hardness, HS）

• 原理：用特定形状的压针（圆锥或平头）在弹簧力作用下压入材料，根据压入深度确定硬度，分 A、D 两个常用标尺：

• 邵氏 A（HA）：适用于软质材料（如橡胶、海绵、软塑料，硬度 0~100HA）；

• 邵氏 D（HD）：适用于硬质材料（如硬塑料、尼龙、PVC，硬度 0~100HD）。

• 优点：操作简单、便携，适合现场快速检测；

• 标准：GB/T 2411、ISO 868、ASTM D2240。

2. 努氏硬度（Knoop Hardness, HK）

• 原理：用长棱形金刚石压头（长 / 短对角线比≈7:1）在小载荷下压入材料，测量长对角线长度计算硬度（单位：HK）。

• 适用材料：极硬、极薄材料（如陶瓷、玻璃、金属箔、涂层），压痕浅（对样品损伤极小）。

• 标准：GB/T 18449.1、ISO 4545、ASTM E384。

关键影响因素

• 压头类型：钢球（软材料）、金刚石（硬材料）需匹配材料硬度（避免压头变形）；

• 载荷大小：载荷过大会压穿薄材料，过小则压痕不明显（需根据材料厚度选择）；

• 样品状态：表面需平整、无氧化层 / 油污（否则会导致压痕异常）；

• 停留时间：载荷保持时间（通常 10~30 秒）影响材料塑性变形充分性（尤其对高温材料或塑料）。

测试意义

• 性能评估：硬度与材料强度（如抗拉强度）、耐磨性正相关（如高硬度钢更耐磨）；

• 质量控制：验证热处理效果（如淬火钢的 HRC 值需达标）、材料一致性（同批次零件硬度偏差需在范围内）；

• 选材参考：根据使用场景选择硬度匹配的材料（如齿轮需高硬度抗磨损，垫片需低硬度密封）。