硬度测试实验

硬度测试实验
一、实验目的
1. 了解布氏、洛式、维氏硬度计的测试原理
2. 掌握各种硬度计的使用方法及使用注意事项等 二、实验原理
硬度是指材料对另一更硬物体（钢球或金刚石压头）压入其表面所表现的抵抗力。

硬度的大小对于工件的使用性能及寿命具有决定性意义。

由于测量的方法不同常用的硬度指标有布氏硬度（HB ）、洛式硬度（HR ）、维氏硬度（HV ）。

布氏硬度适用于硬度较低的金属，如退火、正火的金属、铸铁及有色金属的硬度测定。

洛氏硬度又有HRA 、HRB 、HRC 三种，其中HRC 适合于测定硬度较高的金属如淬火钢的硬度。

维氏硬度测定的硬度值比布氏、洛氏精确，
可以测定从极软到极硬的各种材料的硬度，但测定过程比较麻烦。

显微硬度用于测定显微组织中各种微小区域的硬度，实质就是小负荷（≤9.8N ）的维氏硬度试验，也用HV 表示。

三、布氏硬度（HB ）
(一) 基本原理
将载荷P 和直径为D 的淬火钢球压入试样的表面，并保持一定时间，然后去除载荷P ，测量压痕直径d （见图一所示）。

最后计算出布氏硬度值。

计算公式化如下：
若压痕的深度为h ，则压痕的面积为： 图一 布氏硬度实验原理图
F ＝πDh
＝
()
222
d D D D
--π
HB ＝F
P HB ＝
(
)
22
2/2mm kg d D D D P
--π
式中：P —施加的栽荷kg
F —压痕的表面积，mm 2 D —钢球的直径，mm B —压痕直径，mm
在P 和D 一定的情况下，布氏硬度的高低取决于压痕的直径d ，d 越大，表明材料的HB 值越低即材料越软；反之材料硬度高即HB 越大。

在具体测量时，并不是每次都按上述公式去算，而是根据D 与P 值大小，测量出压痕的直径d ，然后查表即得。

这种表格就是根据上述公式计算制出的，可参考压痕直径与布氏硬度表
由于材料有硬有软，工件有厚、薄、大、小之分，为适应不同情况，其压头有Φ2.5mm 、Φ5mm 、Φ10mm 三种钢球。

载荷有15.6kg 、62.5kg 、187.5kg 、250kg 、750kg 、1000kg 、3000kg 七种。

在具体测量时只要满足P/D 2为常数，则对同一材料来说，布氏硬度值都是相同的；
而对不同材料，所得的布氏硬度值是可进行比较的。

国家标准规定P/D2比值为30、10、2.5三种。

按表一布氏硬度试验的规范来选择钢球直径D和加压负荷P以及保压时间。

在试样截面大小和厚度允许的情况下，尽可能选用直径大的钢球和大的载荷，这样更接近于材料的真实性能；同时，测量的压痕大，误差也小。

所以测定钢的硬度时，尽可能用Φ10mm钢球和3000kg的载荷。

试验后，压痕直径应在0.25D＜b＜0.6D的范围内，否则试验结果无效。

应选其他规范重做试验。

这是因为d值太小，灵敏度和准确性将降低，若d值太大，压痕的几何形状不能保持相似的关系，影响准确性。

布氏硬度计的压头，是淬火的高碳工具钢制的钢球，为了避免钢球压裂或变形，不能测太硬的材料。

表一：布氏硬度试验规范
(二)布氏硬度计构造和操作
常见布氏硬度计有油压式和杠杆式两种，油压式是通过液体来传递压力，是比较早期的硬度计的类型，容易产生过载等缺点。

目前多采用杠杆式硬度计，它是通过杠杆来传递压力，是较完善的硬度计。

现以HB—3000型布氏硬度计为例，介绍其主要结构，如图二所示。

图二HB-3000型布氏硬度计结构图
1-电源开关；2-加力指示灯；3-电源指示灯；4-加力开关；5-压紧螺钉；6-圆盘；7-减速器；8-曲柄；9-换向开关；10-砝码；11-连杆；12-大杠杆；13-吊环；14-机体；15-小杠杆；16-弹簧；17-压轴；18-主轴衬；19-摇杆；20-压头；21-可更换工作台；22-工作台立柱；23-螺杆；24-升降手轮；25-螺母；26-套筒；27-电动机
1.载物台：放置试样的地方；
2.升降丝杆：合载物台上升或下降的机构；
3.手轮：使丝杆产生上下旋转；
4.压头：是由淬火后钢球制成；
5.指示灯：用于表示加载过程；
6.时间定位器：用于控制加载时间；
7.压紧螺钉；用于固定时间定位器；
8.加载按钮：用于施加载荷；
(三)试验步骤：
①安装压头和载物台；
②选择载荷：按表一选择载荷。

③选择载荷的保持时间：载荷保持时间按表一规定。

松开压紧螺纹⑧，把圆盘内弹
簧定位器旋转到所需的时间位置上，压紧螺钉松开的程度应能使圆盘作回转调整
即可；
④将试样放于载物台上；
⑤测量开始：打开电源，指示灯发亮。

转动手轮⑥使试件与压头接触。

然后启动按
钮开关⑩并立即做好拧紧螺钉⑧的准备，在加载荷指示灯①燃亮的同时迅速拧紧
⑧，使圆盘随曲柄一起回转直到自动反向和停止转动为止。

从加载指示灯燃亮到
熄灭为全载荷保持时间；
⑥硬度测量结果：测量完毕，转动手轮⑥，取下试样，用测量显微镜测量试件表面
的压痕直径，从互相垂直方向各测一次，取其平均值，查压痕直径与布
氏硬度对照表即得硬度值。

例如用5mm直径钢球，在750kg载荷下保持10s，压痕直径d=3.3mm测量的硬度值为341。

⑦硬度计的校验方法及注意事项：一般采用标准压块，对硬度读数的正确性进行校
核。

在标准块上三个不同位置测量硬度，取其算术平均值，该值不应超过标准硬
度值的±3%。

平均值—标准块值
即：硬度计的误差值= —————————＜±3%
标准块值
例如标准块的硬度刻度为HB320，在硬度计上测得为HB328时，说明硬度计计数比标准块高8个单位，所以试件测得的硬度应相应减去8。

对硬度计的载荷，可用标准测力计进行测量，载荷误差不应超过±1%，否则应进行修理后才能使用。

压痕中心到试件边缘的距离不应小于压痕直径2.5倍，而相邻的压痕中心距离不应小于
压痕直径的四倍。

四、洛式硬度
(一)测试原理
洛式硬度法克服了布氏法的缺点，它的压痕较小，可测量较高硬度，可直接读数，操作方便、效率高，洛氏硬度法也采用压入法，它用金刚石和钢球作压头。

但它是以压痕的陷凹深度作为计量硬度指标。

为了可以用一个试验机测定从软到硬的材料的硬度，采用了不同的压头和总负荷，组成了15种不同的洛氏硬度标度，见表二所示为各种洛氏硬度符号、试验条件及其应用。

钢铁材料最常用HRB和HRC两种标度测定。

各种洛氏硬度计测量原理都是相似的，现以测量HRB、HRC为例说明。

图三洛氏硬度测量原理。

一般较硬的金属材料（如淬火后的工件）用金刚石压头；较软的金属材料用钢球压头。

总载荷P分为两次加到压头上。

首先加入预载荷P0，使压头与试样的表面接触良好，此时，压痕深度为h1（见图三a）；然后加入主载荷P1，这时总载荷P= P0+ P1，此时压痕深度增加到h2位置（见图三b）；随后将主载荷卸除，此时压痕由于加载时所产生的弹性变形已恢复，此时压痕深度h= h2—h1，（见图三c）作为测量的依据。

如果直接以压痕深度h来作计算硬度指标，那么就会出现硬的金属硬度值小，而软的金属硬度值大的现象，这和布氏硬度值大小相反，不符合人们的习惯。

因此用一常数K来减去所得的压痕深度值作为洛氏硬度的指标。

即：HR=k—h
当以钢球为压头时，k=0.26；以金刚石锥体为压头时，k=0.2。

此外，在读数上又规定以压入深度0.002mm作为标尺刻度的一格，这样前者的0.26常数相当于130格，后者0.2常数相当于100格，因此洛氏常数硬度值可由下式确定：
HRB=130—h／0.02 （红色表盘）
HRC=100—h／0.02 （黑色表盘）
因此可知当压痕深度h=0.2mm时
则：HRC=0 HRB=30
这也说明为什么HRB要取0.26作为常数的原因，因为HRB是测定较软的金属材料的，测试时有的压痕深度可能超过0.2mm以上，若取0.2作为常数，硬度将会得负值，为此HRB 把常数取得大些。

表二：各种洛氏硬度符号、试验条件及其应用
图三洛氏硬度计测量原理
(二)洛氏硬度机的构造与操作
洛氏硬度计类型较多，外形构造也不相同，但构造原理及主要部件相同。

见图四：
图四HR-150型洛氏硬度计结构图
1-指示器；2-加载手柄；3-缓冲器；4-砝码座；5、6-砝码；7-吊杆；8-吊套；9-机体；
10-加载杠杆；11-顶杆；12-刻度盘；13-主轴；14-压头；15-试样；16-工作台；17-升降丝杠；18-手轮
实验时试样6放在工作台5上，按顺时针方向转动手轮3，使工作台上升至试样与压头7接触。

实验时试样6放在工作台5上，按顺时针方向转动手轮3，使工作台上升至试样与
压头7接触。

继续转动手轮，通过压头和压轴8顶起杠杆10，并带动指示器表盘9的指针转动，待小指针指到黑点时，试样即已加上98N的强载荷，随后转动指示器表盘使大指针对准“O”（测HRB时对准“30”），按下按钮1释放转盘4。

在砝码11的作用下，顶杆12在缓冲器15的控制下匀缓下降。

主载荷通过杠杆、压轴和压头作用于试样上。

停留规定时间后，扳动手柄2，使转盘顺时针方向转动至原来被锁住的位置。

由于转盘上齿轮使扇齿轮13、齿条14同时运动而将顶杆顶起卸掉主载荷。

这时指针所指的读数（HRC、HRA读C 标尺，HRB读B标尺）即为所求的洛氏硬度值。

（三）测量方法：
①按表二选择压头及载荷；
②根据试件大小和形状选择载物台；
③将试件上下两面磨平，然后置于载物台上；
④加预载荷。

按顺时针方向转动升降机构的手轮，使试样与压头接触，并观察读数百分表上小针移动到小红点为止；
⑤调整读数表盘，使百分表盘上的长针对准硬度值的起点。

如测量HRC、HRA硬度时，把长针与表盘上黑字G处对准。

测量HRB时，使长针与表盘上红字B处对准；
⑥加主载荷。

平稳地扳动加载手柄，手柄自动升高到停止位置（时间为5~7秒），并停留10秒；
⑦卸除主载荷。

扳回加载手柄至原来位置。

⑧读数。

表上长针指示的数字为硬度的读数。

HRC、HRA读黑数字，HRB读红数字；
⑨下降载物台，取出试件；
⑩用同样方法在试件的不同位置测三个数据，取其算术平均植为试件的硬度值。

各种洛氏硬度硬度值之间，洛氏硬度与布氏硬度间都有一定的换算关系。

对钢铁材料而言，大致有下列关系式：
HB≈2HRB
HB≈10HRC（只当HRC=40~60范围）
HRC≈2HRA—104
（四）洛氏硬度测量注意事项
1.试件的准备：试件表面应磨平、且无氧化皮和油污等；试件形状应能保证试验面与压头轴线相垂直；测试过程应无滑动。

2.试件的最小厚度应不小于压入深度的8倍，测量后试件的支撑面上不应有变形前迹。

3.压痕间距或压痕与试件边缘距离：HRA＞2.5mm；HRC＞2.5mm；HRB＞4mm。

4.不同的洛氏硬度有不同的适用范围，应按表二选择压头及载荷。

这是因为超出规定的测量范围时，准确性较差。

例如HRB102，HRB18等的写法是不准确的，是不宜使用的。

五、显微维氏硬度
显微硬度的测量所采用的是两面之间夹角为136°的金刚石正四棱锥压头。

如图五所
示。

测量时要求试样经过抛光，必要时需腐蚀制
成金相试样。

试样厚度至少是压痕深度的10倍或
者不小于应针对角线的1.5倍，在满足此条件下尽
可能选用较大载荷以减少测量误差。

显微硬度计是由显微镜和硬度计两部分组
成。

如图六所示。

显微镜用来观察显微组织，确定待测部位，测定压痕对角线的长度； 硬度测试装置则是将一定的载荷加在一定的压头上，压入所确定的测试部图位。

显微硬度计主要由支架部分、载物台、负荷机构、显微镜系统等四部分组成的。

图六HX-1000型显微硬度计结构
1-压头；2-压头螺钉；3-后盖；4-电源插头；5-主体；6-显示操作面板；7-升降丝杆；8-10×物镜；9-定位弹片；10-测量照明灯座；11-数字式侧微目镜；12-上盖；13-照相接口盖；14-实验力变换手轮；15-照相、测量转换拉杆；16-物镜、压头转换手轮；17-转盘；18-40物镜×；19-十字试台；20-旋轮；21-电源指示灯；22-电源开关；23-水平调节螺钉；24-面板式打印机
六、实验内容和步骤 （一）布氏硬度试验
1、清理试样表面，并根据试样的材料、厚度和硬度范围选择钢球压头直径D 、载荷F 及保载时间。

2、放在硬度计工作台上，按布氏硬度计的操作规程进行试验，在试样表面产生一个压痕。

移动试样重做一次试验，产生第二个压痕。

3、取下试样，用读数显微镜在相互垂直方向上测量压痕直径d ，并根据d 查表求出试样的布氏硬度值。

（二）洛氏硬度试验
1、 清理试样表面，并根据试样的材料、形状、选择压头、载荷和工作台。

2、 把试样放在工作台上，按洛氏硬度计的操作规程进行试验。

前后共测三点，取其平均值为洛氏硬度值。

（三）维氏硬度
1．试样的抛光、浸蚀、吹干。

根据试样的材料、形状选择工作台、载荷和加载时间。

2．在显微镜下观察，选择所测试的部位。

3．移动工作台，使压头对准所测试的部位，然后加载，卸载。

4．移动工作台，在目镜中观察显微硬度的压痕。

图五：金刚石正四棱锥压头
3、用螺旋测微目镜测量压痕对角线的长度。

通过查压痕对角线与显微硬度对照表，得到显微硬度值。

（四）实验报告要求
1、写出各种硬度计的测量原理和测量步骤。

2、填写下表：
布氏硬度
洛氏硬度
维氏硬度。