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各種硬度計的原理、構造及應用
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發布日期：[2013-12-13] 共閱[1627]次 |
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。圖14-1表示了洛氏硬度的測量原理。
圖中：
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：
（14-1）
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
（14-2）
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
（14-3）
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。圖14-2表示了洛氏硬度計的機構構造原理，其他靜力載荷測定法的硬度計的構造原理基本與此相同。圖14-3為硬度計的外形圖。
圖14-2 洛氏硬度計機構示意圖 圖14-3 硬度計外形圖
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：
圖14-4 布氏硬度計試驗原理示意圖
（14-4）
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：
（14-5）
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，且：
圖14-5 不同直經的鋼球壓頭產生在幾何上相似的壓頭
（14-6）
對每種材料，A為常數，并與D無關。由上式得：
代入（14-5），得
（14-7）
（14-8）
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
布氏硬度的表示方法是若用Φ10mm鋼球，在3000kg載荷下保持10s，測得的布氏硬度值表示為字母HB加上所測得的硬度值，例如HB400。在其他試驗條件下，在HB后面要注明鋼球直徑、載荷大小及保載時間，例如：HB2.5/187.5/10=200表示用Φ2.5mm的鋼球在187.5kg載荷下保持10s測得的布氏硬度為200。
布氏硬度測試中還應注意以下幾個問題，即試驗壓痕直徑的范圍應為0.25D<d<0.6D，否則測量結果無效；由于壓痕周圍存在變形硬化現象（可達2~3倍的壓痕直徑），所以要求相鄰兩個硬度點的距離≥4d，軟材料≥6d，試件厚度不小于壓痕深度的10倍，壓痕離試件邊緣的距離應不小于壓痕直徑。
三、布氏硬度的特點
布氏硬度試驗的優點是其硬度代表性全面，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。
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*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，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。
圖14-6 維氏金剛石棱錐壓頭
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：
則：
（14-9）
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。
圖14-6 維氏硬度的測試原理
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
（14-10）
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*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：
（14-11）
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。
現以ПMT-3型的顯微硬度計為例說明其構造及其使用方法。
1.構造
ПMT-3型的顯微硬度計主要由支架部分、截物臺、負荷機構、顯微鏡系統等四部分組成，如圖14-10。
① 支架部分。主要由底座和主柱組成。借助調節螺母可升降托架，使顯微鏡整體上下移動。
② 截物臺。由三個螺釘固定在底座上，其中兩個螺釘控制其前后左右移動。載物臺移動的大行程為10mm，旋轉手柄可使載物臺作180°回轉運動，使顯微鏡觀察到的組織，恰好能轉到顯微硬度計壓頭下面，然后加載，得一個顯微硬度壓痕。當載物臺回轉到原來位置以后，壓痕對角線長度可由顯微鏡測量出來。載物臺不需要轉動時可用固定螺釘使載物臺固定。
③ 加載荷重機構。是顯微硬度計的重要組成部分，如圖14-11所示。
圖14-11 ПMT-3型的顯微硬度計的載荷重機構
荷重機構安裝在臂架上，與物鏡相對稱。立柱1由兩片彈簧（3與4）支持著，在它的下端裝入壓頭8，荷重砝碼套在立柱中部，立柱平時由托板托住。加載荷時，借手柄7逆時針方向旋轉而使托盤離開，立柱隨之下降，載荷就通過壓頭加到磨面上。
④ 顯微鏡部分。由鏡筒物鏡和目鏡組、機械調節及照明裝置組成。顯微鏡用粗調和微調旋鈕調節焦距，在微調旋鈕上刻有刻度，指示顯微鏡上下調節的距離，每小格相當于0.002mm。鏡筒上裝有傾斜的觀察鏡筒及15×的螺旋式測微目鏡。在顯微攝影時可換用直射攝影鏡筒和15×的攝影目鏡。照相暗盒就固定在直射鏡筒上。
顯微鏡配有兩個物鏡（F6.16及F23.2）和一個目鏡（15×）。顯微放大倍數為485×及130×，能在明場和暗場下觀察。其照明方式的改變通過旋轉手柄來實現。
螺旋式測微器用來測量壓痕對角線的長度。測微器上有100個小格。
照明光源為6V15W低壓白熾燈。
2.顯微硬度的測試方法
① 試驗前的準備工作包括：
安裝物鏡、螺旋測微目鏡及壓頭；檢查并調整壓痕中心與視場中心重合；載荷機構的調整等。
② 試樣經加載，卸載，轉動載物臺，在目鏡中可觀察到顯微硬度的壓痕。
③ 用螺旋測微目鏡測定壓痕對角線的長度
測量時，首先移動工作臺，使試樣壓痕的左面兩邊與十字交叉線的右半邊重合，記下測微鼓輪的指示九；然后轉動鼓輪使十字交叉線的左半邊與壓痕的右面兩邊也重合，再記下測微鼓輪上的讀數，兩數之差為壓痕對角線相對應的格數。然后再乘以鼓輪刻度值（放大485×時每格為0.3μm）即得到壓痕對角線長度。
一般是測兩條相互垂直的對角線的長度再取平均值作為壓痕對角線的長度d。
由壓痕對角線的長度，通過公式（11-10）計算或查壓痕對角線與顯微硬度對照表得到顯微硬度值。
三、影響顯微硬度值的因素
1.試樣制備
顯微試樣制備過程中，會因磨削使表面塑性變形引起加工硬化，這會對顯微硬度值有很大的影響（有時誤差可達50%），低載荷下更為明顯。因此試樣在制備過程中，要盡量減少表面變形層，特別對軟材料，采用電解拋光。
2.載荷
根據試樣的實際情況，選擇適當的荷載，在試樣條件允許的情況下，盡量選擇較大的載荷，以得到盡可能大的壓痕。由于彈性變形的回復是材料的一種性能，對于任意大小的壓痕其彈性回復量幾乎一樣，壓痕越小彈性回復量占的比例就越大，顯微硬度值也就越高。在同一試樣中，選用不同的載荷測試得出的結果不*相同，一般載荷越小，硬度值波動越大。所以對于同一試驗始終選相同的載荷，以減少載荷變化對硬度值的影響。布科提出了下列四類加載范圍，可供參考：
鋁合金：1~5g
軟鐵鎳：5~15g
硬鋼：15~30g
碳化物：30~120g
3.加載速度和保載時間
加載速度過快，會使壓痕加大，顯微硬度值降低。一般載荷越小，加載速度的影響就越大，當載荷小于100g時，加載速度應為1~20μm/s。加載后保持載荷3~5s即可卸載進行測量。
14.5 使用硬度計應注意的事項
除了各種硬度計使用時特殊注意事項外，還有一些共同的應注意的問題，現列舉如下：
1.硬度計本身會產生兩種誤差：一是其零件的變形、移動造成的誤差；二是硬度參數超出規定標準所造成的誤差。對第二種誤差，在測量前需用標準塊對硬度計進行校準。對洛氏硬度計校正結果，差值在±1之內合格。差值在±2之內的穩定數值，可以給出修正值。差值在±2范圍之外時則必需對硬度計進行校正維修或換其他硬度測試法測定。
洛氏硬度各標度有一事實上的適用范圍，要根據規定正確選用。例如，硬度高于HRB100時，應采用HRC標度進行測試；硬度低于HRC20時應用HRB標度進行測試。因為超出其規定的測試范圍時，硬度計的度及靈敏度較差，硬度值不準確，不宜使用。
其他硬度測試法也都規定有相應的校正標準。
校準硬度計用的標準塊不能兩面使用，因標準面與背面硬度不一定一致。一般規定標準塊自標定日起一年內有效。
2.在更換壓頭或砧座時，注意接觸部位要擦干凈。換好后，要用一定硬度的鋼樣測試幾次，直到連續兩次所得硬度值相同為止。目的是使壓頭或砧座與試驗機接觸部分壓緊，接觸良好，以免影響試驗結果的準確性。
3.硬度計調整后，開始測量硬度時，*個測試點不用。因怕試樣與砧座接觸不好，測得的值不準確。特*點測試完，硬度計處于正常運行機制狀態后再對試樣進行正式測試，記錄測得的硬度值。
4.在試件允許的情況下，一般選不同部位至少測試三個硬度值，取平均值，取平均值作為試件的硬度值。
5.對形狀復雜的試件要采用相應形狀的墊塊，固定后方可測試。對圓試件一般要放在V形槽中測試。
6.加載前要檢查加載手柄是否放在卸載位，加載時動作要輕穩，不要用力太猛。加載完畢加載手柄應放在卸載位置，以免儀器長期處于負荷狀態，發生塑性變形，影響測量度。 |
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