各种硬度计的工作原理

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P 0(98.1N)作用下压入试件深度为h 0时的位置。h 0包括预载所相起的弹形变形和塑性变形。

2-2：加主载荷P 1后，压头在总载荷P= P 0+ P 1的作用下压入试件的位置。

3-3：去除主载荷P 1后但仍保留预载荷P 0时压头的位置，压头压入试样的深度为h 1。由于P 1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= h 1- h 0。实际代表主载P 1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：

0.002K h

HR -=

(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

0.21000.0020.002h h

HR -=

=- (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

0.261300.0020.002h h

HR -=

=-

(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

11.58816mm in ⎛⎫

⎪

⎝⎭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13.1758mm in ⎛⎫ ⎪⎝⎭、16.354mm in ⎛⎫ ⎪

⎝⎭、112.72mm in ⎛⎫

⎪

⎝⎭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：

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

22()

2

D

F Dh D D d ππ==

-

222/()

P HB mm F D D D d π=

=-- (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(mm 2)。

布氏硬度的单位为kg/mm 2，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：

n

P ad = (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

222

1122n n n A a D a D aD ---==== (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

2

n

n A P d D -=

(14-7)

2

/sin 2n

n

d P D A A D ϕ⎛⎫

== ⎪⎝⎭ (14-8) 此式说明，在进行布氏硬度测试时，只要使P/D 2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/D 2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/D 2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/D 2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0.25

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