洛氏、布氏、维氏硬度计的测试原理

硬度计的种类很多，这里重点介绍最常用的洛氏、布氏、维氏硬度计
的测试原理。
一、洛氏硬度的测量原理
洛氏硬度测量法是最常用的硬度试验方法之一。它是用压 头(金
刚石圆锥或淬火钢球)在载荷(包括预载荷和主载荷)作用下，压入材
料的塑性变形浓度 来表示的。通常压入材料的深度越大，材料越软；
压入的浓度越小，材料越硬。图14-1表示了洛氏硬 度的测量原理。


图中：
0-0：未加载荷，压头未接触试件时的位置。
1-1：压头在预载荷P
0
(98.1N)作用下压入试件深度为h
0
时的位置。h
0
包括预载所引起的 弹形变形和塑性变形。

2-2：加主载荷P
1
后，压头在总载荷P= P
0
+ P
1
的作用下压入试件的位
置。
3-3：去除主 载荷P
1
后但仍保留预载荷P
0
时压头的位置，压头压入试
样的深度 为h
1
。由于P
1
所产生的弹性变形被消除，所以压头位置提高
了h ，此时压头受主载荷作用实际压入的浓度为h= h
1
- h
0
。实际代表
主载P
1
造成的塑性变形深度。
h值越大，说明试件越软，h值越小，说明试件越硬。为了适应
人们习惯上数值越大硬度越高的概念，人 为规定，用一常数K减去压
痕深度h的数值来表示硬度的高低。并规定0.002mm为一个洛氏硬度< br>单位，用符号HR表示，则洛氏硬度值为：




为了扩大洛氏硬度的测量范围，可用不同的压头和不同的总载
荷配成不同标度的洛氏硬度。洛氏硬度共有 15种标度供选择，它们
分别为：HRA，HRB，HRC，HRD，HRE，HRF，HRG，HRH ，HRK，HRL，HRM，
HRP，HRR，HRS，HRV。其中常用的几种标度列表如下：

表14-1 各种洛氏硬度值的符号及应用
标度符号
HRA
HRB
HRC
HRD
HRE
HRF
HRG
HRH
压头
总载荷
N(kg)
表盘上 常用硬度
刻度颜色 值范围
黑色 70~85
25~100
20~67
40~77
70~100
40~100
31~94

应用举例
碳化物、硬质合金、表面淬
火钢等
软钢、退火钢、铜合金
淬火钢、调质钢等
薄钢板、中等厚度的表面硬
化工件
铸铁、铝、镁合金、轴承合
金
薄板软钢、退火铜合金
磷青铜、铍青铜
铝、锌、铅
金刚石圆锥 588.6(60)
1.588mm钢球 981(100) 红色
金刚石圆锥 1471.5(150) 黑色
金刚石圆锥 981(100)
3.175mm钢球 981(100)
黑色
红色
1.588mm钢球 588.6(60) 红色
1.588mm钢球 1471.5(150) 红色
3.175mm钢球 588.6(60) 红色



二、布氏硬度的测量原理
选择一事实上的载荷P，把直径为 D的淬火钢球压入试件表面并
保持一定时间，然后卸去载荷，测量钢球在试样表面压出的压痕直径
d，计算出压痕面积，算出载荷P与压痕面积的比值，这个比值所表
示的硬度就是布氏硬度，用符号H B表示。布氏硬度的测量原理如图
11-2所示。设压痕的深度为h，则压痕的球冠面积为：

(14-2)


式中：P——测试用的载荷(kg)；
D——压头钢球的直径(mm)；
d——压痕直径(mm)；
F——压痕面积(mm
2
)。
布氏硬度的单位为kgmm
2
，这是目前各国文献中常用的单位，通
常只给出数值而不写单位，如HB200，若要换算成国际单位 MPa，需
要将硬度值乘以9.81。
布氏硬度的压头钢球直径有Φ2.5mm，Φ5mm， Φ10mm三种，载荷有
15.6kg、62.5kg、182.5kg、250kg、750kg、1 000kg、3000kg七种。
可根据材料的软硬不同选择配合使用。为了在不同直径的压头和不同< br>载荷下进行测试时，同一种材料的布氏硬度值相同。压头的直径与载

荷之间要满足 相似原理。相似原理是指在均质材料中，只要压入角
φ(即从压头圆心压痕两端的连线之间的夹角)不变 ，则不论压痕大
小，金属的平均抗力相等。如图14-3所示。德国的迈耶尔(Mayer)
通 过试验得出重要经验关系。当dD>0.1时，压痕直径d与载荷的关
系为：

(14-3)
这个公式称为迈耶尔定律。他还得出如下的结论：当使用的压头
直径不同时，指数n几乎与D无关，而常数a则随D值的增大而减小，
且：



此式说明，在进行布氏硬度测试时，只要使PD
2
为一 常数，就可
以使压入角φ保持不变，从而保持了几何形状相似的压痕。

所以在布氏硬度测量中只要满足PD
2
为常数，则同一材料测得的
布氏硬度值是相同的 。不同材料测得的布氏硬度值也可以进行比较。
PD
2
的数值不是随便规定的，各种材 料软硬相差很大。如果只规定一
个PD
2
的值，对于较硬的材料，压入角会太小；对于 较软的材料，压
入角又会很大。若压入角太小，压痕就小，测量误差就会很大。当入
压角较大但 小于90°时，压痕直径随压入深度增加有较大变化，有
利于测量。但当压入角大小90°时，随压入深 度的增加，压痕变化
较小。为了提高测量精度，通常使0.25
2
值。国家标准规定P D
2
的比
值为30、10、25三种。在测量中对较软的材料因塑性变形较大，施加载荷应小一些。
布氏硬度仪的试验规范列表

金属类
型
布氏硬度范
围
HB
140~150
黑色金
属
<140
试件厚度 载荷P与压头 钢球直径 载荷保持
载荷P,kg
mm 直径D的关系 D,mm 时间，s
6~3
4~3
<2
>6
6~3
<3
6~3
4~3
<2
9~-3
6~3
<3
>6
6~3
<3
P=30D
2

10
5.0
2.5
10
5.0
2.5
10
5.0
2.5
10
5.0
2.5
10
5.0
2.5
3000
750
187.5
1000
250
62.5
3000
750
187.5
1000
250
62.5
250
62.5
15.6
10
P=10D
2
10
>130
有色金
属
P=30D
2
30
36~130 P=10D
2
30
8~35 P=2.5D
2
30
表14-2

三、维氏硬度的测量原理
维氏硬度的测量原理基本上和 布氏硬度相同，所不同的是用金刚
石正四棱锥压头。正四棱锥两对面的夹角为136°，底面为正方形，
如图14-4所示。维氏硬度所用的载荷有1kg、3kg、5kg、10kg、20kg、
3 0kg、50kg、100kg、120kg等，负载的选择主要取决于试件的厚度。

在载荷P的作用下压头在试样表面压出一个底面为正方形的正
四棱锥压痕。用显微镜测定方坑对角线长度 d，维氏硬度值HV等于
所用载荷与压痕面积的比值。压痕面积F为：

则：

式中：P——载荷；
d——压痕直径；
F——压痕面积。

当载荷P已知时 ，只要测得压痕对角线长度d，就可以求出维氏
硬度值。通常是在测量d值后从《压印对角线与维氏硬度 对照表》中
查出相应的硬度值。
φ角选择136°是为了使维氏硬度得到一个成比例的并在较 低硬度
时与布氏硬度基本一致的硬度值。在布氏测试法规定0.25

，φ=44°，
与此相对应的金刚石正四棱锥的两以面间夹角就是
180°-44°=136°。所以布氏硬度 在HB300，它们间的差别增大，这
是由于布氏测试法所用的钢球压头开始变形使压痕直径偏大所造成
的。