硬度計的原理、構造及應用與材料的關系
硬度計的原理、構造及應用與材料的關系
硬度計的原理、構造及應用與材料的關系
硬度反映了材料彈塑性變形特性，是一項重要的力學性能指標。與其他力學性能的測試方法相比，硬度試驗具有下列優點：試樣制備簡單，可在各種不同尺寸的試樣上進行試驗，試驗后試樣基本不受破壞；設備簡便，操作方便，測量速度快；硬度與強度之間有近似的換算關系，根據測出的硬度值就可以粗略地估算強度極限值。所以硬度試驗在實際中得到廣泛地應用。
硬度測定是指反一定的形狀和尺寸的較硬物體(壓頭)以一定壓力接觸材料表面，測定材料在變形過程中所表面出來的抗力。有的硬度表示了材料抵抗塑性變形的能力
(如不同載荷壓入硬度測試法)，有的硬度表示材料抵抗彈性變形的能力(如肖氏硬度)。通常壓入載荷大于9.81N(1kgf)時測試的硬度叫宏觀硬度，壓力載荷小于
9.81N(1kgf)時測試的硬度叫微觀硬度。前者用于較在尺寸的試件，希反映材料宏觀范圍性能；后者用于小而薄的試件，希反映微小區域的性能，如顯微組織中不同的相的硬度，材料表面的硬度等。
硬度計的種類很多，這里重點介紹*常用的洛氏、布氏、維氏和顯微硬度測試法。
14.1 洛氏硬度測試法
一、洛氏硬度的測量原理
洛氏硬度測量法是*常用的硬度試驗方法之一。它是用壓頭
(金剛石圓錐或淬火鋼球)在載荷(包括預載荷和主載荷)作用下，壓入材料的塑性變形濃度來表示的。通常壓入材料的深度越大，材料越軟；壓入的濃度越小，材料越硬。
0-0：未加載荷，壓頭未接觸試件時的位置。
1-1：壓頭在預載荷P0(98.1N)作用下壓入試件深度為
h0時的位置。h0包括預載所相起的彈形變形和塑性變形。
2-2：加主載荷P1后，壓頭在總載荷P= P0+ P1的作用下壓入試件的位置。
3-3：去除主載荷P1后但仍保留預載荷P0時壓頭的位置，壓頭壓入試樣的深度為h1。由于P1所產生的彈性變形被消除，所以壓頭位置提高了h，此時壓頭受主載荷作用實際壓入的濃度為h= h1-
h0。實際代表主載P1造成的塑性變形深度。
h值越大，說明試件越軟，h值越小，說明試件越硬。為了適應人們習慣上數值越大硬度越高的概念，人為規定，用一常數
K減去壓痕深度h的數值來表示硬度的高低。并規定0.002mm為一個洛氏硬度單位，用符號
HR表示，則洛氏硬度值為：
此值為無量綱數。測量時可直接在表盤上讀出。表盤上有紅、黑兩種刻度，紅色的
30和黑色的0相重合。
使用金剛石圓錐壓頭時，常數K為0.2mm，硬度值由黑色表盤表示，此時
使用鋼球(Φ=1.588mm)壓頭時，常數K為0.26mm，硬度值由紅色表盤表示，此時
洛氏硬度計的壓頭共有5種，其中*常用的有兩種：一種是頂角為120°的金剛石圓錐壓頭，用來測試高硬度的材料；另一種是直徑為的淬火鋼球，用來測軟材料的硬度。對于特別軟的材料，有時還使用直徑為的鋼球作壓頭，不過這幾種比較少用。
為了擴大洛氏硬度的測量范圍，可用不同的壓頭和不同的總載荷配成不同標度的洛氏硬度。洛氏硬度共有
15種標度供選擇，它們分別為：HRA，HRB，HRC，HRD，HRE，HRF，HRG，HRH，HRK，HRL，HRM，HRP，HRR，HRS，HRV。其中常用的幾種標度列表如下：
表14-1
各種洛氏硬度值的符號及應用
|
標度符號 |
壓頭 |
總載荷 N(kg) |
表盤上 刻度顏色 |
常用硬度 值范圍 |
應用舉例 |
|
HRA |
金剛石圓錐 |
588.6(60) |
黑色 |
70~85 |
碳化物、硬質合金、表面淬火鋼等 |
|
HRB |
1.588mm 鋼球 |
981(100) |
紅色 |
25~100 |
軟鋼、退火鋼、銅合金 |
|
HRC |
金剛石圓錐 |
1471.5(150) |
黑色 |
20~67 |
淬火鋼、調質鋼等 |
|
HRD |
金剛石圓錐 |
981(100) |
黑色 |
40~77 |
薄鋼板、中等厚度的表面硬化工件 |
|
HRE |
3.175mm 鋼球 |
981(100) |
紅色 |
70~100 |
鑄鐵、鋁、鎂合金、軸承合金 |
|
HRF |
1.588mm 鋼球 |
588.6(60) |
紅色 |
40~100 |
薄板軟鋼、退火銅合金 |
|
HRG |
1.588mm 鋼球 |
1471.5(150) |
紅色 |
31~94 |
磷青銅、鈹青銅 |
|
HRH |
3.175mm 鋼球 |
588.6(60) |
紅色 |
|
鋁、鋅、鉛 |
二、洛氏硬度計的構造
洛氏硬度計種類很多，構造各不相同，但構造原理及主要部件都相同。
①- 壓頭 ②-載荷法碼 ③--主杠桿
④-測量杠桿
①--讀數百分表 ②--裝壓腦處
⑤-表盤
⑥-緩沖裝置 ⑦--載物臺 ⑧-升降絲杠
③-載物臺
④--升降絲杠手輪
⑤--加載手輪
⑥--卸載手輪
14.2 布氏硬度測試法
一、布氏硬度的測量原理
選擇一事實上的載荷P，把直徑為D的淬火鋼球壓入試件表面并保持一定時間，然后卸去載荷，測量鋼球在試樣表面壓出的壓痕直徑
d，計算出壓痕面積，算出載荷P與壓痕面積的比值，這個比值所表示的硬度就是布氏硬度，用符號HB表示。布氏硬度的測量原理如圖11-4所示。設壓痕的深度為h，則壓痕的球冠面積為：
式中：P——測試用的載荷(kg)；
D——壓頭鋼球的直徑(mm)；
d——壓痕直徑(mm)；
F——壓痕面積(mm2)。
布氏硬度的單位為kg/mm2，這是目前各國文獻中常用的單位，通常只給出數值而不寫單位，如
HB200，若要換算成國際單位MPa，需要將硬度值乘以9.81。
布氏硬度的壓頭鋼球直徑有Φ2.5mm，Φ5mm，Φ10mm三種，載荷有15.6kg、62.5kg、182.5kg、250kg、750kg、1000kg、3000kg七種。可根據材料的軟硬不同選擇配合使用。為了在不同直徑的壓頭和不同載荷下進行測試時，同一種材料的布氏硬度值相同。壓頭的直徑與載荷之間要滿足相似原理。相似原理是指在均質材料中，只要壓入角
φ(即從壓頭圓心壓痕兩端的連線之間的夾角)不變，則不論壓痕大小，金屬的平均抗力相等。如圖14-5所示。德國的邁耶爾(Mayer)通過試驗得出重要經驗關系。當d/D>0.1時，壓痕直徑d與載荷的關系為：
這個公式稱為邁耶爾定律。戒a和n均為常數。他還得出如下的結論：當使用的壓頭直徑不同時，指數n幾乎與D無關，而常數a則隨
D值的增大而減小，
此式說明，在進行布氏硬度測試時，只要使
P/D2為一常數，就可以使壓入角φ保持不變，從而保持了幾何形狀相似的壓痕。
所以在布氏硬度測量中只要滿足P/D2為常數，則同一材料測得的布氏硬度值是相同的。不同材料測得的布氏硬度值也可以進行比較。
P/D2的數值不是隨便規定的，各種材料軟硬相差很大。如果只規定一個P/D2的值，對于較硬的材料，壓入角會太小；對于較軟的材料，壓入角又會很大。若壓入角太小，壓痕就小，測量誤差就會很大。當入壓角較大但小于
90°時，壓痕直徑隨壓入深度增加有較大變化，有利于測量。但當壓入角大小90°時，隨壓入深度的增加，壓痕變化較小。為了提高測量精度，通常使0.25<d/D<0.5，與此對應的壓入角29°<φ<60°，這樣就需不同的材料使用不同的P/D2值。國家標準規定P/D2的比值為30、10、25三種。在測量中對較軟的材料因塑性變形較大，施加載荷應小一些。
布氏硬度儀的試驗規范列表表14-2中。
二、布氏硬度的測試步驟
布氏硬度計使用的步驟如下：
1．根據試件材料選擇合適的壓頭和載荷。
2．加預載。
3．加主載并保持一定的時間。
4．卸載。
5．將試樣取下，用帶刻度的低倍放大鏡測壓痕直徑d。
6．查《壓痕直徑與布氏硬度對照表》得到布氏硬度值。
表14-2
布氏硬度試驗規范
|
金屬類型 |
布氏硬度范圍 HB |
試件厚度 mm |
載荷P 與壓頭 直徑D的關系 |
鋼球直徑 D,mm |
載荷P,kg |
載荷保持 時間，s |
|
黑色金屬 |
140~150 |
6~3 4~3 <2 |
P=30D2 |
10 5.0 2.5 |
3000 750 187.5 |
10 |
|
<140 |
>6 6~3 <3 |
P=10D2 |
10 5.0 2.5 |
1000 250 62.5 |
10 | |
|
有色金屬 |
>130 |
6~3 4~3 <2 |
P=30D2 |
10 5.0 2.5 |
3000 750 187.5 |
30 |
|
36~130 |
9~-3 6~3 <3 |
P=10D2 |
10 5.0 2.5 |
1000 250 62.5 |
30 | |
|
8~35 |
>6 6~3 <3 |
P=2.5D2 |
10 5.0 2.5 |
250 62.5 15.6 |
30 |
三、布氏硬度的特點
布氏硬度試驗的優點是其硬度代表性**，因壓痕面積較大，能反映較大范圍內金屬各組成相綜合影響的平均性能，而不受個別組成相及微小不均勻度的影響。因此特別適用于測定灰鑄鐵、軸承合金和具有粗大晶粒的金屬材料；試驗數據穩定，數據重復性強，此外，布氏硬度值和抗拉強度 σb間存在一定換算關系，見表14-3。
布氏硬度與抗拉強度的關系
|
材料 |
硬度值 |
HB-σb 近似換算關系 |
|
鋼 |
125~175 >175 |
σb≈0.343HB×10MN/m2 σb≈0.362HB×10MN/m2 |
|
鑄鋁合金 |
|
σb≈0.26HB×10MN/m2 |
|
退火黃銅、青銅 |
|
σb≈0.55HB×10MN/m2 |
|
冷加工后黃銅、青銅 |
|
σb≈0.40HB×10MN/m2 |
布氏硬度試驗的缺點是其壓頭為淬火鋼球。由于鋼球本身的變形問題，致使不難試驗太硬的材料。一般在
HB450以上就不能使用；由地壓痕較大，成品檢驗有困難；試驗過程比洛氏硬度較為復雜，不能由硬度計上直接讀數
(需用帶刻度的低倍放大鏡測出壓痕直徑，然后通過查表得到布氏硬度值)。
11.3 維氏硬度測試法
為了避免鋼球壓頭的長久變形，布氏硬度法只能用來測定硬度值小于HB450的材料，洛氏硬度法為了測定由軟到硬的不同材料的硬度，采用了不同的壓頭和總載荷，有很多種標度，彼此間沒有什么聯系，也不能換算。為了實際應用中方便，取同一材料用不同標度測定，列出表格，只能供大致估算。為了從軟到硬的不同材料有一個連續一致的硬度標度，制定了維氏硬度試驗法。
一、維氏硬度的測量原理
維氏硬度的測量原理基本上和布氏硬度相同，所不同的是用金剛石正四棱錐壓頭。正四棱錐兩對面的夾角為
136°，底面為正方形，如圖14-6所示。維氏硬度所用的載荷有1kg、3kg、5kg、10kg、20kg、30kg、50kg、
100kg、120kg等，負載的選擇主要取決于試件的厚度。
在載荷P的作用下壓頭在試樣表面壓出一個底面為正方形的正四棱錐壓痕。用顯微鏡測定方坑對角線長度
d，維氏硬度值HV等于所用載荷與壓痕面積的比值。壓痕面積F為：
式中：P——載荷；
d——壓痕直徑；
F——壓痕面積。
從(14-9)式可知，當載荷P已知時，只要測得壓痕對角線長度d，就可以求出維氏硬度值。通常是在測量d值后從《壓印對角線與維氏硬度對照表》中查出相應的硬度值。
φ角選擇136°是為了使維氏硬度得到一個成比例的并在較低硬度時與布氏硬度基本一致的硬度值。在布氏測試法臺規定
0.25<d/D<0.5，*理想的d/D值是0.375，，φ=44°，與此相對應的金剛石正四棱錐的兩以面間夾角就是
180°-44°=136°。如圖14-7所示。所以布氏硬度在HB300，它們間的差別增大，這是由于布氏測試法所用的鋼球壓頭開始變形使壓痕直徑偏大所造成的。
二、維氏硬度的測試
1．對試樣的要求
要求試樣經過拋光，試樣硬度至少是壓痕深度的10倍或者不小于壓痕對角線的1.5倍，在滿足這個條件的情況下盡可能選用較大載荷，可減少測量誤差。
2．壓痕對角線的測量
維氏硬度壓痕對角線的長度是用附在硬度計上的顯微測微器進行測量的。壓痕對角線的測量精度可達
10-3mm。應測出兩條互相垂直的對角線的線度，取平均值作為壓痕對角線的長度d。規定兩條壓痕對角線之差與較短對角線之比不大于2%。若材料各個方向上的硬度不均勻而使比值>2%者，需要在硬度值后面注明。
維氏硬度不存在在洛氏硬度標度無法統一的問題，也不存在布氏硬度測試時負荷與壓頭直徑比例關系的約束和壓頭變形問題。只要滿足布氏法中邁耶爾指數關系中
n=2時，p=ad2，只要載荷不太小，硬度值與所用載荷無關，即不同載荷下的維氏硬度值可以駐進行比較。
維氏硬度值測量**可靠，在材料科學研究中被廣泛應用。但是維氏硬度測量過程中需要測量對角線的長度，然后通過計算或查表才能得到硬度值。測量過程繁瑣，工作效率低。在測量過程中，采用計算機控制測量過程，采集和處理數據，可能克服上述缺點并大大提高工作效率。
14.4 顯微硬度測試法
一、顯微硬度的測量原理
顯微硬度的測量原理與維氏硬度一樣，也是用壓痕單位面積上所承受的載荷來表示的。只是試樣需要拋光腐蝕制成金相顯微試樣，以便測量顯微組織中各相的硬度。顯微硬度一般用
HM表示。
顯微硬度測試用的壓頭有兩種：一種是和維氏硬度壓頭一樣的兩面之間的夾角為136°的金剛石正四棱錐壓頭，如圖14-8所示。這種顯微硬度的計算公式為
圖14-8維氏金剛石棱錐壓頭
圖14-9努氏（Knoop）金剛石棱錐壓頭
式中：P——載荷(g)；
d——壓痕對角線長度(μm)。
顯微硬度值與維氏硬度完全一致，計算公式差別只是測量時用的載荷和壓痕對角線的單位不同造成的。
圖14-9中還表示了另一種顯微硬度壓頭。這種壓頭叫克努普(Knoop)金剛石壓頭。它的壓痕長對角線與短對角線的長度之比為7.11。克努普顯微硬度值為：
式中：P——載荷(g)；
L——壓痕對角線長度(μm)。
顯微硬度如用kg/mm2為顯微硬度的單位時，可以將單位省去，例如HM300，表示其顯微硬度為300kg/mm2。
二、顯微硬度計的構造及其應用
顯微硬度計是由顯微鏡和硬度計兩部分組成。顯微鏡用來觀察顯微組織，確定測試部位，測定壓痕對角線的長度；硬度測試裝置則是將一事實上的載荷加在一事實上的壓并沒有上，壓入所確定的測試部位。