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9.81N(1kgf)时测试的硬度叫宏观硬度，压力载荷小于9.81N(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。

14.1 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(98.1N)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0.002mm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0.2mm，硬度值由黑色表盘表示，此时

(14-2)

使用钢球(Φ=1.588mm)压头时，常数K为0.26mm，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

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

14.2 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、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>0.1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。