常规压入硬度试验方法解析：布氏、洛氏、维氏与努氏硬度

在材料科学与工程领域，硬度是衡量材料抵抗局部塑性变形能力的关键指标。目前，工业界应用最为广泛的压入硬度测试方法主要包括布氏（Brinell）、洛氏（Rockwell）、维氏（Vickers）和努氏（Knoop）四种。这些方法自1900年布氏硬度试验问世以来的四十年间相继发展成熟，每一种都针对特定的应用需求带来了显著的改进：洛氏硬度法极大地提升了工业检测的速度；维氏硬度法建立了一个从极软到极硬金属的连续硬度标尺；而努氏硬度法则在低试验力下提供了更高的测量灵敏度。历经百年发展，这些经典方法，特别是布氏和洛氏硬度，其技术本身和应用范围仍在不断完善与扩展。

图1 布氏硬度试验原理示意图

工业产品往往由不同种类、硬度、强度、尺寸和厚度的材料构成。为了精确表征这些多样化的产品，每种常规硬度测试方法都定义了一系列标准的试验力等级，并与不同类型的压头相匹配。压头类型与试验力水平的每一种组合，都构成了该硬度测试方法下一个独特的硬度标尺。

布氏硬度试验 (HBW)

测试原理与核心公式

布氏硬度试验的原理相当直观：将一个直径为 D 的硬质合金球压头，在规定的试验力 F 作用下压入试样表面。在移除试验力后，测量试样表面留下的永久压痕直径 d（如图1所示）。布氏硬度值（HBW）的物理意义可以理解为试验力与压痕球面面积之比，它正比于该比值。计算时，通常假定压痕是一个半径为球压头半径的球冠。

其计算公式如下：

布氏硬度 HBW = 常数 × (试验力 / 压痕球面面积) = 0.102 × [ 2F / (πD(D - √(D² - d²))) ]

其中，试验力 F 的单位为牛顿（N），压头直径 D 和压痕直径 d 的单位均为毫米（mm）。

硬度值的表示方法

布氏硬度值由符号HBW及后续的一组数字构成，这组数字依次代表压头球体直径、施加的试验力以及试验力的持续时间。需要说明的是，在旧版标准中，如果使用钢球压头，硬度符号会记为HB或HBS。

示例：600HBW1/30/20

• 600：布氏硬度值为600
• HBW：布氏硬度符号（W代表使用碳化钨球压头）
• 1：压头球直径为1 mm
• 30：施加的试验力为30 kgf（约等于294.2 N）
• 20：试验力保持时间为20秒（若不标注，则默认为10-15秒）

应用范围

在实际应用中，针对不同的测试条件，最常用的布氏硬度标尺见下表。当然，通过特殊协议，也可以采用其他试验力和球径的组合。

表1 不同测试条件下的标准试验力

方法优缺点

优势：

• 环境适应性强：尤其在使用大直径球压头和高试验力时，对车间等粗糙环境不敏感。
• 适合非均匀材料：由于压痕较大，可以获得材料宏观区域的平均硬度，非常适合测试铸件、锻件等组织不均匀的材料，前提是组织的不均匀尺度远小于压痕尺寸。
• 应用广泛：适用于大型毛坯件，如锻件、铸件、热轧或热压件以及热处理部件的硬度检测。
• 表面要求低：当采用大压头和高试验力时，对试样表面的制备要求相对较低。
• 抗干扰能力强：测量结果通常不受试样在试验力方向上轻微移动的影响。
• 成本效益高：压头结构简单、坚固耐用且成本低廉。

劣势：

• 硬度上限：应用范围受限，通常无法测试硬度高于650 HBW的材料。
• 尺寸限制：不适用于测试小型或薄壁试样。
• 测试耗时：需要手动测量压痕直径，导致测试时间相对较长。
• 试样损伤：压痕较大，对试样表面会造成较为严重的损伤。
• 操作者疲劳：大量测量压痕易导致操作者疲劳，从而增加测量误差。

洛氏硬度试验 (HR)

测试原理与核心公式

洛氏硬度法的巧妙之处在于，它通过测量压入深度的差值来计算硬度，从而省去了耗时的光学测量环节。无论使用何种洛氏标尺或压头，其基本流程都遵循一个“预加载-主加载-卸载”的模式：

1. 压头与试样接触，施加一个初始试验力 (F₀)。
2. 保持初始试验力一段时间后，测量此刻的压入深度。
3. 以规定速率施加一个附加试验力 (F₁)，使总试验力达到 F₀ + F₁。
4. 保持总试验力一段时间后，移除附加试验力F₁，恢复到初始试验力水平。
5. 在初始试验力下保持一段时间后，再次测量压入深度。
6. 两次深度测量值之差即为永久压痕深度 h（单位mm），压头随即离开试样表面（见图2）。

图2 洛氏硬度原理图（1-初始试验力F₀下的压痕深度；2-附加试验力F₁下的压痕深度；3-移除附加试验力F₁后的弹性回复；4-永久压痕深度h；5-试样表面；6-测量基准面；7-压头位置）

洛氏硬度值通过以下公式计算，其中 N 和 S 是根据不同标尺定义的常数（见表2）：

洛氏硬度 = N - (h / S)

硬度值的表示方法

洛氏硬度由符号HR表示，后跟一个字母指明所用标尺。对于球压头，有时还会加上S（钢球）或W（硬质合金球）以示区分。

示例：70 HR 30NW

• 70：洛氏硬度值为70
• HR：洛氏硬度符号
• 30N：洛氏标尺符号（见表2）
• W：表示使用硬质合金球压头（S代表钢球）

应用范围

洛氏硬度试验包含众多标尺，以适应不同材料和厚度的测试需求。ASTM国际标准定义了30种不同的洛氏标尺，而ISO标准则采用了其中的一部分。下表列出了常用洛氏标尺的压头类型、试验力及典型应用。

表2 洛氏硬度标尺及典型应用

方法优缺点

优势：

• 测试速度快：压痕过程结束后，硬度值立即自动显示，效率极高，适合大批量生产的质量控制。
• 可自动化：测试过程易于实现自动化。
• 设备成本低：无需光学测量装置，因此硬度计的采购成本相对较低。
• 客观性强：硬度值直接显示，消除了人为读数误差。
• 培训简单：操作人员的培训时间相对较短。

劣势：

• 误差来源多：试样移动、压头座不稳或机器部件磨损都可能在施力过程中引入测量误差。
• 不适于表面层测试：由于试验力相对较高，难以精确测试薄的表面硬化层。
• 压头易损：金刚石压头较为敏感，易受损，存在导致测量不准的风险。
• 灵敏度较低：对硬度差异的区分能力相对较弱。
• 压头形状影响：金刚石圆锥压头的形状，尤其是顶端微小的几何偏差，对测试结果有显著影响。

维氏硬度试验 (HV)

测试原理

维氏硬度试验采用一个顶角为136°的正四棱锥金刚石压头。在试验力 F 的作用下，压头被压入试样表面。卸除试验力后，测量留在表面的正方形压痕的两条对角线长度 d（见图3）。维氏硬度值是通过试验力除以压痕表面积来计算的。

图3 维氏硬度试验原理示意图

硬度值的表示方法

维氏硬度由符号HV表示，后跟代表所施加试验力的数字和试验力持续时间。

示例：640 HV 30/20

• 640：维氏硬度值为640
• HV：维氏硬度符号
• 30：施加的试验力为30 kgf (约294.2 N)
• 20：试验力保持时间为20秒（若不标注，则默认为10-15秒）

应用范围

维氏硬度试验的适用范围极广，ISO和ASTM标准对其试验力范围有不同的划分。ISO 6507-1标准将金属材料的维氏硬度测试分为三个范围，而ASTM标准则将其分为两个范围。

表3 维氏硬度试验范围

ISO标准规定维氏硬度试验适用于压痕对角线长度在0.020 - 1.400 mm的范围，而ASTM标准则允许对角线长度小于0.020 mm。尽管在规定限度内可以使用任何级别的试验力，但下表给出了传统上推荐的试验力。

表4 推荐的维氏试验力

方法优缺点

优势：

• 适用范围广：几乎不受试样硬度的限制，可测量从极软到极硬的各种材料。
• 适合微小区域：能够测试薄板、小型试样、薄壁管、薄镀层以及硬化层。
• 损伤小：压痕微小，在多数情况下不影响产品的功能或外观。
• 硬度值连续：在HV 0.2及以上范围内，硬度值通常与试验力无关，可形成连续标尺。
• 测量稳定：试样在试验力方向有限度的屈服不会造成测量错误。
• 可换算应力：硬度值可以报告为应力值。

劣势：

• 表面制备要求高：需要精心制备光洁的测试表面。
• 测试耗时：测量对角线长度的过程相对耗时。
• 压头易损：金刚石压头对撞击敏感。
• 小压痕误差：当压痕很小时，硬度值对压头几何形状的偏差和表面制备质量非常敏感。
• 对振动敏感：对振动非常敏感，尤其是在显微硬度范围内。
• 操作者误差：显微镜读数受操作者主观影响较大，尤其是在小负荷硬度测试中。

要获得精确可靠的维氏或努氏硬度数据，对样品制备、设备状态和操作技能都有极高要求。这正是专业检测实验室的核心价值所在。 精工博研测试技术（河南）有限公司（原郑州三磨所国家磨料磨具质量检验检测中心），央企，国字头检测机构，专业的权威第三方检测机构，专业检测材料硬度，可靠准确。欢迎沟通交流，电话19939716636

努氏硬度试验 (HK)

测试原理

努氏硬度试验与维氏硬度类似，但其金刚石压头形状更为特殊：一个底面为菱形的四棱锥，其对边夹角有特定规定（如图4）。压头在试验力 F 作用下压入试样表面，卸力后测量压痕的长对角线 d。努氏硬度值正比于试验力与压痕投影面积之比。

图4 努氏硬度试验的符号与名称

图5 努氏硬度试验的符号与名称

表5 努氏硬度试验的符号与名称

硬度值的表示方法

努氏硬度由符号HK表示，后跟代表试验力的数字和试验力持续时间。

示例：640 HK 0.1/20

• 640：努氏硬度值为640
• HK：努氏硬度符号
• 0.1：施加的试验力为0.1 kgf (约0.9807 N)
• 20：试验力保持时间为20秒（若不标注，则默认为10-15秒）

应用范围

努氏硬度试验常用于显微硬度测量，推荐的试验力见下表。

表6 推荐的努氏试验力

方法优缺点

优势：

• 适合细长试样：压痕长短对角线比率约为7:1，特别适合测试线材等窄小试样。
• 适合薄层/脆性材料：在相同对角线长度下，努氏压痕深度比维氏浅约四倍，因此更适合测试薄试样或镀层。同时，其压应力分布特点使其在测试陶瓷等脆性材料时不易引发开裂。
• 可研究各向异性：努氏硬度值与长对角线的方向有关，因此可用于研究材料的力学性能各向异性。
• 损伤小：压痕微小，通常不影响产品功能或外观。
• 适用范围广：几乎不受被测材料硬度的限制。

劣势：

• 表面制备要求高：需要花费大量精力制备足够光洁的测试表面。
• 依赖试验力：硬度值对试验力有相当大的依赖性，且受表面制备质量影响尤为显著。
• 压头易损：金刚石压头较为脆弱。
• 对中要求高：为获得对称的压痕，需要精确对准测试表面，成本较高。
• 测试耗时：测量对角线长度的过程耗时较长。
• 读数困难：由于压头几何形状的原因，测量对角线长度比维氏试验更加困难。