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各种硬度计的结构和测量方法
第十四章各种硬度计的原理、构造及应用
与材料的关系
硬度反映了材料弹塑性变形特性，是一项重要的力学性能指标。
与其他力学性能的测试方法相比，硬度试验具有下列优点：
试样制备简单，可在各种不同尺寸的试样上进行试验，试验后试样基本不受破坏；设备简便，操作方便，测量速度快；硬度与强度之间有近似的换算关系，根据测出的硬度值就可以粗略地估算强度极限值。
所以硬度试验在实际中得到广泛地应用。
硬度测定是指反一定的形状和尺寸的较硬物体（压头）以一定压力接触材料表面，测定材料在变形过程中所表面出来的抗力。
有的硬度表示了材料抵抗塑性变形的能力（如不同载荷压入硬度测试法），有的硬度表示材料抵抗弹性变形的能力（如肖氏硬度）。
通常压入载荷大于（1kgf）时测试的硬度叫宏观硬度，压力载荷小于（1kgf）时测试的硬度叫微观硬度。
前者用于较在尺寸的试件，希反映材料宏观范围性能；后者用于小而薄的试件，希反映微小区域的性能，如显微组织中不同的相的硬度，材料表面的硬度等。
硬度计的种类很多，这里重点介绍最常用的洛氏、布氏、维氏和显微硬度测试法。
洛氏硬度测试法
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P0作用下压入试件深度为h0时的位置。
h0包括预载所相起的弹形变形和塑性变形。
2-2：
加主载荷P1后，压头在总载荷P=P0+P1的作用下压入试件的位置。
3-3：
去除主载荷P1后但仍保留预载荷P0时压头的位置，压头压入试样的深度为h1。
由于P1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=h1-h0。
实际代表主载P1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。
并规定为一个洛氏硬度单位，用符号HR表示，则洛氏硬度值为：
（14-1）
此值为无量纲数。
测量时可直接在表盘上读出。
表盘上有红、黑两种刻度，红色的30和黑色的0相重合。
使用金刚石圆锥压头时，常数K为，硬度值由黑色表盘表示，此时
（14-2）
使用钢球（Φ=压头时，常数K为，硬度值由红色表盘表示，此时
（14-3）
洛氏硬度计的压头共有5种，其中最常用的有两种：
一种是顶角为120°的金刚石圆锥压头，用来测试高硬度的材料；另一种是直径为的淬火钢球，用来测软材料的硬度。
对于特别软的材料，有时还使用直径为、、的钢球作压头，不过这几种比较少用。
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
压头
总载荷
N（kg）
表盘上
刻度颜色
常用硬度
值范围
应用举例
HRA
金刚石圆锥
（60）
黑色
70~85
碳化物、硬质合金、表面淬火钢等
HRB
钢球
981（100）
红色
25~100
软钢、退火钢、铜合金
HRC
金刚石圆锥
（150）
黑色
20~67
淬火钢、调质钢等
HRD
金刚石圆锥
981（100）
黑色
40~77
薄钢板、中等厚度的表面硬化工件
HRE
钢球
981（100）
红色
70~100
铸铁、铝、镁合金、轴承合金
HRF
钢球
（60）
红色
40~100
薄板软钢、退火铜合金
HRG
钢球
（150）
红色
31~94
磷青铜、铍青铜
HRH
钢球
（60）
红色
铝、锌、铅
二、洛氏硬度计的构造
洛氏硬度计种类很多，构造各不相同，但构造原理及主要部件都相同。
图14-2表示了洛氏硬度计的机构构造原理，其他静力载荷测定法的硬度计的构造原理基本与此相同。
图14-3为硬度计的外形图。
图14-2洛氏硬度计机构示意图图14-3硬度计外形图
①-压头②-载荷法码③--主杠杆④-测量杠杆①--读数百分表②--装压脑处
⑤-表盘⑥-缓冲装置⑦--载物台⑧-升降丝杠③-载物台④--升降丝杠手轮
⑤--加载手轮⑥--卸载手轮
布氏硬度测试法
一、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HB表示。
布氏硬度的测量原理如图11-4所示。
设压痕的深度为h，则压痕的球冠面积为：
图14-4布氏硬度计试验原理示意图
（14-4）
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（mm2）。
布氏硬度的单位为kg/mm2，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。
布氏硬度的压头钢球直径有Φ，Φ5mm，Φ10mm三种，载荷有、、、250kg、750kg、1000kg、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14-5所示。
德国的迈耶尔（Mayer）通过试验得出重要经验关系。
当d/D>时，压痕直径d与载荷的关系为：
（14-5）
这个公式称为迈耶尔定律。
戒a和n均为常数。
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：
图14-5不同直经的钢球压头产生在几何上相似的压头
（14-6）
对每种材料，A为常数，并与D无关。
由上式得：
代入（14-5），得
（14-7）
（14-8）
此式说明，在进行布氏硬度测试时，只要使P/D2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P/D2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。
P/D2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P/D2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，通常使国家标准规定P/D2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表14-2中。
二、布氏硬度的测试步骤
布氏硬度计使用的步骤如下：
1．根据试件材料选择合适的压头和载荷。
2．加预载。
3．加主载并保持一定的时间。
4．卸载。
5．将试样取下，用带刻度的低倍放大镜测压痕直径d。
6．查《压痕直径与布氏硬度对照表》得到布氏硬度值。
表14-2布氏硬度试验规范
金属类型
布氏硬度范围
HB
试件厚度
mm
载荷P与压头
直径D的关系
钢球直径
D,mm
载荷P,kg
载荷保持
时间，s
黑色金属
140~150
6~3
4~3
<2
P=30D2
10
3000
750
10
<140
>6
6~3
<3
P=10D2
10
1000
250
10
有色金属
>130
6~3
4~3
<2
P=30D2
10
3000
750
30
36~130
9~-3
6~3
<3
P=10D2
10
1000
250
30
8~35
>6
6~3
<3
P=
10
250
30
布氏硬度的表示方法是若用Φ10mm钢球，在3000kg载荷下保持10s，测得的布氏硬度值表示为字母HB加上所测得的硬度值，例如HB400。
在其他试验条件下，在HB后面要注明钢球直径、载荷大小及保载时间，例如：
10=200表示用Φ的钢球在载荷下保持10s测得的布氏硬度为200。
布氏硬度测试中还应注意以下几个问题，即试验压痕直径的范围应为三、布氏硬度的特点
布氏硬度试验的优点是其硬度代表性全面，因压痕面积较大，能反映较大范围内金属各组成相综合影响的平均性能，而不受个别组成相及微小不均匀度的影响。
因此特别适用于测定灰铸铁、轴承合金和具有粗大晶粒的金属材料；试验数据稳定，数据重复性强，此外，布氏硬度值和抗拉强度σb间存在一定换算关系，见表14-3。
表14-3布氏硬度与抗拉强度的关系
材料
硬度值
HB-σb近似换算关系
钢
125~175
>175
σb≈×10MN/m2
σb≈×10MN/m2
铸铝合金
σb≈×10MN/m2
退火黄铜、青铜
σb≈×10MN/m2
冷加工后黄铜、青铜
σb≈×10MN/m2
布氏硬度试验的缺点是其压头为淬火钢球。
由于钢球本身的变形问题，致使不难试验太硬的材料。
一般在HB450以上就不能使用；由地压痕较大，成品检验有困难；试验过程比洛氏硬度较为复杂，不能由硬度计上直接读数（需用带刻度的低倍放大镜测出压痕直径，然后通过查表得到布氏硬度值）。
维氏硬度测试法
为了避免钢球压头的永久变形，布氏硬度法只能用来测定硬度值小于HB450的材料，洛氏硬度法为了测定由软到硬的不同材料的硬度，采用了不同的压头和总载荷，有很多种标度，彼此间没有什么联系，也不能换算。
为了实际应用中方便，取同一材料用不同标度测定，列出表格，只能供大致估算。
为了从软到硬的不同材料有一个连续一致的硬度标度，制定了维氏硬度试验法。
一、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14-6所示。
维氏硬度所用的载荷有1kg、3kg、5kg、10kg、20kg、30kg、50kg、100kg、120kg等，负载的选择主要取决于试件的厚度。
图14-6维氏金刚石棱锥压头
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：
（14-9）
式中：
P——载荷；
d——压痕直径；
F——压痕面积。
从（14-9）式可知，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。
在布氏测试法台规定
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