硬度計(jì)的原理、構(gòu)造及應(yīng)用與材料的關(guān)系   
   
硬度計(jì)的原理、構(gòu)造及應(yīng)用與材料的關(guān)系
硬度反映了材料彈塑性變形特性，是一項(xiàng)重要的力學(xué)性能指標(biāo)。與其他力學(xué)性能的測(cè)試方法相比，硬度試驗(yàn)具有下列優(yōu)點(diǎn)：試樣制備簡(jiǎn)單，可在各種不同尺寸的試樣上進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)后試樣基本不受破壞；設(shè)備簡(jiǎn)便，操作方便，測(cè)量速度快；硬度與強(qiáng)度之間有近似的換算關(guān)系，根據(jù)測(cè)出的硬度值就可以粗略地估算強(qiáng)度極限值。所以硬度試驗(yàn)在實(shí)際中得到廣泛地應(yīng)用。
硬度測(cè)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(cè)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(cè)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(shí)測(cè)試的硬度叫宏觀硬度，壓力載荷小于 9.81N(1kgf)時(shí)測(cè)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(qū)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(jì)的種類很多，這里重點(diǎn)介紹*常用的洛氏、布氏、維氏和顯微硬度測(cè)試法。
14.1 洛氏硬度測(cè)試法
一、洛氏硬度的測(cè)量原理
洛氏硬度測(cè)量法是*常用的硬度試驗(yàn)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(yù)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。

0-0：未加載荷，壓頭未接觸試件時(shí)的位置。
1-1：壓頭在預(yù)載荷P0(98.1N)作用下壓入試件深度為 h0時(shí)的位置。h0包括預(yù)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(yù)載荷P0時(shí)壓頭的位置，壓頭壓入試樣的深度為h1。由于P1所產(chǎn)生的彈性變形被消除，所以壓頭位置提高了h，此時(shí)壓頭受主載荷作用實(shí)際壓入的濃度為h= h1- h0。實(shí)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(yīng)人們習(xí)慣上數(shù)值越大硬度越高的概念，人為規(guī)定，用一常數(shù) K減去壓痕深度h的數(shù)值來表示硬度的高低。并規(guī)定0.002mm為一個(gè)洛氏硬度單位，用符號(hào) HR表示，則洛氏硬度值為：
此值為無量綱數(shù)。測(cè)量時(shí)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(shí)，常數(shù)K為0.2mm，硬度值由黑色表盤表示，此時(shí)
使用鋼球(Φ=1.588mm)壓頭時(shí)，常數(shù)K為0.26mm，硬度值由紅色表盤表示，此時(shí)
洛氏硬度計(jì)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(cè)試高硬度的材料；另一種是直徑為的淬火鋼球，用來測(cè)軟材料的硬度。對(duì)于特別軟的材料，有時(shí)還使用直徑為的鋼球作壓頭，不過這幾種比較少用。
為了擴(kuò)大洛氏硬度的測(cè)量范圍，可用不同的壓頭和不同的總載荷配成不同標(biāo)度的洛氏硬度。洛氏硬度共有 15種標(biāo)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(biāo)度列表如下：
表14-1    各種洛氏硬度值的符號(hào)及應(yīng)用 
 

標(biāo)度符號(hào)	壓頭	總載荷 N(kg)	表盤上 刻度顏色	常用硬度 值范圍	應(yīng)用舉例
HRA	金剛石圓錐	588.6(60)	黑色	70~85	碳化物、硬質(zhì)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(diào)質(zhì)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(jì)的構(gòu)造
洛氏硬度計(jì)種類很多，構(gòu)造各不相同，但構(gòu)造原理及主要部件都相同。
      

①-   壓頭 ②-載荷法碼 ③--主杠桿 ④-測(cè)量杠桿  ①--讀數(shù)百分表 ②--裝壓腦處
⑤-表盤 ⑥-緩沖裝置 ⑦--載物臺(tái) ⑧-升降絲杠  ③-載物臺(tái)  ④--升降絲杠手輪
⑤--加載手輪 ⑥--卸載手輪
14.2 布氏硬度測(cè)試法
一、布氏硬度的測(cè)量原理
選擇一事實(shí)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(shí)間，然后卸去載荷，測(cè)量鋼球在試樣表面壓出的壓痕直徑 d，計(jì)算出壓痕面積，算出載荷P與壓痕面積的比值，這個(gè)比值所表示的硬度就是布氏硬度，用符號(hào)HB表示。布氏硬度的測(cè)量原理如圖11-4所示。設(shè)壓痕的深度為h，則壓痕的球冠面積為：
式中：P——測(cè)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(guó)文獻(xiàn)中常用的單位，通常只給出數(shù)值而不寫單位，如 HB200，若要換算成國(guó)際單位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(jù)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(jìn)行測(cè)試時(shí)，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(zhì)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(guó)的邁耶爾(Mayer)通過試驗(yàn)得出重要經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。當(dāng)d/D>0.1時(shí)，壓痕直徑d與載荷的關(guān)系為：
這個(gè)公式稱為邁耶爾定律。戒a和n均為常數(shù)。他還得出如下的結(jié)論：當(dāng)使用的壓頭直徑不同時(shí)，指數(shù)n幾乎與D無關(guān)，而常數(shù)a則隨 D值的增大而減小，
此式說明，在進(jìn)行布氏硬度測(cè)試時(shí)，只要使 P/D2為一常數(shù)，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(cè)量中只要滿足P/D2為常數(shù)，則同一材料測(cè)得的布氏硬度值是相同的。不同材料測(cè)得的布氏硬度值也可以進(jìn)行比較。 P/D2的數(shù)值不是隨便規(guī)定的，各種材料軟硬相差很大。如果只規(guī)定一個(gè)P/D2的值，對(duì)于較硬的材料，壓入角會(huì)太??；對(duì)于較軟的材料，壓入角又會(huì)很大。若壓入角太小，壓痕就小，測(cè)量誤差就會(huì)很大。當(dāng)入壓角較大但小于 90°時(shí)，壓痕直徑隨壓入深度增加有較大變化，有利于測(cè)量。但當(dāng)壓入角大小90°時(shí)，隨壓入深度的增加，壓痕變化較小。為了提高測(cè)量精度，通常使0.25<d/D<0.5，與此對(duì)應(yīng)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定P/D2的比值為30、10、25三種。在測(cè)量中對(duì)較軟的材料因塑性變形較大，施加載荷應(yīng)小一些。
布氏硬度儀的試驗(yàn)規(guī)范列表表14-2中。
二、布氏硬度的測(cè)試步驟
布氏硬度計(jì)使用的步驟如下：
1．根據(jù)試件材料選擇合適的壓頭和載荷。
2．加預(yù)載。
3．加主載并保持一定的時(shí)間。
4．卸載。
5．將試樣取下，用帶刻度的低倍放大鏡測(cè)壓痕直徑d。
6．查《壓痕直徑與布氏硬度對(duì)照表》得到布氏硬度值。
表14-2      布氏硬度試驗(yàn)規(guī)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(guān)系	鋼球直徑 D,mm	載荷P,kg	載荷保持 時(shí)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

三、布氏硬度的特點(diǎn)

布氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是其硬度代表性**，因壓痕面積較大，能反映較大范圍內(nèi)金屬各組成相綜合影響的平均性能，而不受個(gè)別組成相及微小不均勻度的影響。因此特別適用于測(cè)定灰鑄鐵、軸承合金和具有粗大晶粒的金屬材料；試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)重復(fù)性強(qiáng)，此外，布氏硬度值和抗拉強(qiáng)度 σb間存在一定換算關(guān)系，見表14-3。

布氏硬度與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系

材料	硬度值	HB-σb 近似換算關(guān)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(yàn)的缺點(diǎn)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(yàn)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(yàn)有困難；試驗(yàn)過程比洛氏硬度較為復(fù)雜，不能由硬度計(jì)上直接讀數(shù) (需用帶刻度的低倍放大鏡測(cè)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(cè)試法
為了避免鋼球壓頭的長(zhǎng)久變形，布氏硬度法只能用來測(cè)定硬度值小于HB450的材料，洛氏硬度法為了測(cè)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(biāo)度，彼此間沒有什么聯(lián)系，也不能換算。為了實(shí)際應(yīng)用中方便，取同一材料用不同標(biāo)度測(cè)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(gè)連續(xù)一致的硬度標(biāo)度，制定了維氏硬度試驗(yàn)法。
一、維氏硬度的測(cè)量原理
維氏硬度的測(cè)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(duì)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(fù)載的選擇主要取決于試件的厚度。
 
在載荷P的作用下壓頭在試樣表面壓出一個(gè)底面為正方形的正四棱錐壓痕。用顯微鏡測(cè)定方坑對(duì)角線長(zhǎng)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：
式中：P——載荷；
      d——壓痕直徑；
      F——壓痕面積。
從(14-9)式可知，當(dāng)載荷P已知時(shí)，只要測(cè)得壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度d，就可以求出維氏硬度值。通常是在測(cè)量d值后從《壓印對(duì)角線與維氏硬度對(duì)照表》中查出相應(yīng)的硬度值。
φ角選擇136°是為了使維氏硬度得到一個(gè)成比例的并在較低硬度時(shí)與布氏硬度基本一致的硬度值。在布氏測(cè)試法臺(tái)規(guī)定 0.25<d/D<0.5，*理想的d/D值是0.375，，φ=44°，與此相對(duì)應(yīng)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(cè)試法所用的鋼球壓頭開始變形使壓痕直徑偏大所造成的。
二、維氏硬度的測(cè)試
1．對(duì)試樣的要求
要求試樣經(jīng)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(duì)角線的1.5倍，在滿足這個(gè)條件的情況下盡可能選用較大載荷，可減少測(cè)量誤差。
2．壓痕對(duì)角線的測(cè)量
維氏硬度壓痕對(duì)角線的長(zhǎng)度是用附在硬度計(jì)上的顯微測(cè)微器進(jìn)行測(cè)量的。壓痕對(duì)角線的測(cè)量精度可達(dá) 10-3mm。應(yīng)測(cè)出兩條互相垂直的對(duì)角線的線度，取平均值作為壓痕對(duì)角線的長(zhǎng)度d。規(guī)定兩條壓痕對(duì)角線之差與較短對(duì)角線之比不大于2%。若材料各個(gè)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(biāo)度無法統(tǒng)一的問題，也不存在布氏硬度測(cè)試時(shí)負(fù)荷與壓頭直徑比例關(guān)系的約束和壓頭變形問題。只要滿足布氏法中邁耶爾指數(shù)關(guān)系中 n=2時(shí)，p=ad2，只要載荷不太小，硬度值與所用載荷無關(guān)，即不同載荷下的維氏硬度值可以駐進(jìn)行比較。
維氏硬度值測(cè)量**可靠，在材料科學(xué)研究中被廣泛應(yīng)用。但是維氏硬度測(cè)量過程中需要測(cè)量對(duì)角線的長(zhǎng)度，然后通過計(jì)算或查表才能得到硬度值。測(cè)量過程繁瑣，工作效率低。在測(cè)量過程中，采用計(jì)算機(jī)控制測(cè)量過程，采集和處理數(shù)據(jù)，可能克服上述缺點(diǎn)并大大提高工作效率。
14.4 顯微硬度測(cè)試法
一、顯微硬度的測(cè)量原理
顯微硬度的測(cè)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(cè)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(cè)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(jì)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 
式中：P——載荷(g)；
      d——壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度(μm)。
顯微硬度值與維氏硬度完全一致，計(jì)算公式差別只是測(cè)量時(shí)用的載荷和壓痕對(duì)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(zhǎng)對(duì)角線與短對(duì)角線的長(zhǎng)度之比為7.11。克努普顯微硬度值為：
式中：P——載荷(g)；
      L——壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度(μm)。
顯微硬度如用kg/mm2為顯微硬度的單位時(shí)，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(jì)的構(gòu)造及其應(yīng)用
顯微硬度計(jì)是由顯微鏡和硬度計(jì)兩部分組成。顯微鏡用來觀察顯微組織，確定測(cè)試部位，測(cè)定壓痕對(duì)角線的長(zhǎng)度；硬度測(cè)試裝置則是將一事實(shí)上的載荷加在一事實(shí)上的壓并沒有上，壓入所確定的測(cè)試部位。