地下水硬度概述

學(xué)科：水文地質(zhì)學(xué)

詞目：地下水硬度

英文：hardness of groundwater

釋文：水中Ca2 、Mg2 離子的含量(標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語中已不再采用,見附錄)。水的硬度對生活及工業(yè)用水影響極大。過硬的水煮食不易熟,洗滌時(shí)肥皂起沫少。飲用過軟的水,對健康有害。硬水用于蒸汽鍋爐,易生沉淀結(jié)成鍋垢,不僅浪費(fèi)燃料,又易引起爆炸。

水硬度最初是指水中鈣、鎂離子沉淀肥皂水化液的能力。水的總硬度指水中鈣、鎂離子的總濃度，其中包括碳酸鹽硬度（即通過加熱能以碳酸鹽形式沉淀下來的鈣、鎂離子，故又叫暫時(shí)硬度）和非碳酸鹽硬度（即加熱后不能沉淀下來的那部分鈣、鎂離子，又稱永久硬度）。

硬度的表示方法尚未統(tǒng)一，我國使用較多的表示方法有兩種：一種是將所測得的鈣、鎂折算成 CaO 的質(zhì)量，即每升水中含有 CaO 的毫克數(shù)表示，單位為 mg·L-1 ；另一種以度計(jì)：1硬度單位表示10萬份水中含1份CaO（ 即每升水中含 10mgCaO），1° =10ppmCaO 。這種硬度的表示方法稱作德國度。

水硬度的表示方法有多種，我國采用的表示方法與德國相同。以下為不同國家的表示方法。

德國度(d): 1L水中含有相當(dāng)于l0mg的CaO，其硬度即為1個(gè)德國度(ld)。這是我國最普遍使用的一種水的硬度表示方法。

美國度(mg/L): 1L水中含有相當(dāng)于lmg的CaCO3，其硬度即為1個(gè)美國度。 　mmol/L: 1L水中含有相當(dāng)于100mg的CaCO3，稱其為l mmol/L的硬度。

法國度(f): 1L水中含有相當(dāng)于l0mg的CaCO3，其硬度即為1個(gè)法國度(1f)。

英國度(e): 1L水中含有相當(dāng)于14.28mg的CaCO3，其硬度即為1個(gè)英國度(le)。 　水的硬度通用單位為mmol/L，也可用德國度（d）表示。其換算關(guān)系為:1mmol/L=2.804德國度（d） 　國家飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定450mmol/L為合格標(biāo)準(zhǔn)。

水的硬度分為碳酸鹽硬度和非碳酸鹽硬度兩種。

碳酸鹽硬度

碳酸鹽硬度：主要是由鈣、鎂的碳酸氫鹽[Ca(HCO3)2、Mg(HCO3)2]所形成的硬度，還有少量的碳酸鹽硬度。碳酸氫鹽硬度經(jīng)加熱之后分解成沉淀物從水中除去，故亦稱為暫時(shí)硬度。

非碳酸鹽硬度：主要是由鈣鎂的硫酸鹽、氯化物和硝酸鹽等鹽類所形成的硬度。這類硬度不能用加熱分解的方法除去，故也稱為永久硬度，如CaSO4、MgSO4、CaCL2、MgCL2、Ca(NO3)2、Mg(NO3)2等。

碳酸鹽硬度和非碳酸鹽硬度之和稱為總硬度；水中Ca2 的含量稱為鈣硬度；水中Mg2 的含量稱為鎂硬度；當(dāng)水的總硬度小于總堿度時(shí)，它們之差，稱為負(fù)硬度。

測試步驟：在一份水樣中加入 pH=10.0 的氨性緩沖溶液和少許鉻黑T指示劑，溶液呈紅色；用EDTA 標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定時(shí)， EDTA 先與游離的Ca2 配位，再與Mg2 配位；在計(jì)量點(diǎn)時(shí)， EDTA 從MgIn-中奪取Mg2 ，從而使指示劑游離出來，溶液的顏色由紅變?yōu)榧兯{(lán)，即為終點(diǎn)。

當(dāng)水樣中Mg2 極少時(shí)，由于CaIn- 比 MgIn- 的顯色靈敏度要差很多，往往得不到敏銳的終點(diǎn)。為了提高終點(diǎn)變色的敏銳性，可在 EDTA 標(biāo)準(zhǔn)溶液中加入適量的 Mg2 （在EDTA 標(biāo)定前加入，這樣就不影響EDTA與被測離子之間的滴定定量關(guān)系），或在緩沖溶液中加入一定量的Mg—EDTA 鹽。

水的總硬度可由EDTA 標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度cEDTA 和消耗體積 V1（ml）來計(jì)算。以CaO 計(jì)，單位為 mg/L。

水的總硬度已經(jīng)有些廠家采用離子選擇性電極法直接測量，測量方法簡單，測值準(zhǔn)確。

測定總硬度時(shí)用氨性緩沖溶液調(diào)節(jié)pH值。 　注意加入掩蔽劑掩蔽干擾離子，掩蔽劑要在指示劑之前加入。 　測定總硬度的時(shí)候在臨近終點(diǎn)時(shí)應(yīng)慢滴多搖。 　測定時(shí)要是水溫過低應(yīng)將水樣加熱到30～40oC再進(jìn)行測定。

減小硬度的方法

在生活中，通常用煮沸的方法。在實(shí)驗(yàn)室中，用蒸餾的方法。不過，蒸餾效果更好。2100433B

肖氏硬度定義

硬度是各種機(jī)械零件和工具必須具備的力學(xué)性能指標(biāo) ， 用于表征材料的軟硬程度，是指材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力。

肖氏硬度測試方法

測試硬度的方法很多，常用的布氏硬度試驗(yàn)法、洛氏硬度試驗(yàn)法、維氏硬度試驗(yàn)法、努氏硬度試驗(yàn)法、肖氏硬度試驗(yàn)法、里氏硬度試驗(yàn)法和莫氏硬度試驗(yàn)法等。

硬度換算公式:

1.肖氏硬度(HS)=勃式硬度(BHN)/10 12

2.肖式硬度(HS)=洛式硬度(HRC) 15

3.勃式硬度(BHN)= 洛克式硬度(HV)

4.洛式硬度(HRC)= 勃式硬度(BHN)/10-3

硬度測定范圍:

HS<100

HB<500

HRC<70

HV<1300

(80~88)HRA, (85~95)HRB, (20~70)HRC

洛氏硬度中HRA、HRB、HRC等中的A、B、C為三種不同的標(biāo)準(zhǔn)，稱為標(biāo)尺A、標(biāo)尺B、標(biāo)尺C。

洛氏硬度試驗(yàn)是現(xiàn)今所使用的幾種普通壓痕硬度試驗(yàn)之一，三種標(biāo)尺的初始壓力均為98.07N(合10kgf)，最后根據(jù)壓痕深度計(jì)算硬度值。標(biāo)尺A使用的是球錐菱形壓頭，然后加壓至588.4N(合60kgf)；標(biāo)尺B使用的是直徑為1.588mm(1/16英寸)的鋼球作為壓頭，然后加壓至980.7N(合100kgf)；而標(biāo)尺C使用與標(biāo)尺A相同的球錐菱形作為壓頭，但加壓后的力是1471N(合150kgf)。因此標(biāo)尺B適用相對較軟的材料，而標(biāo)尺C適用較硬的材料。

實(shí)踐證明，金屬材料的各種硬度值之間，硬度值與強(qiáng)度值之間具有近似的相應(yīng)關(guān)系。因?yàn)橛捕戎凳怯善鹗妓苄宰冃慰沽屠^續(xù)塑性變形抗力決定的，材料的強(qiáng)度越高，塑性變形抗力越高，硬度值也就越高。但各種材料的換算關(guān)系并不一致。本站《硬度對照表》一文對鋼的不同硬度值的換算給出了表格，請查閱。

硬度表示材料抵抗硬物體壓入其表面的能力。它是金屬材料的重要性能指標(biāo)之一。一般硬度越高，耐磨性越好。常用的硬度指標(biāo)有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度。

1.布氏硬度(HB)

以一定的載荷(一般3000kg)把一定大小(直徑一般為10mm)的淬硬鋼球壓入材料表面，保持一段時(shí)間，去載后，負(fù)荷與其壓痕面積之比值，即為布氏硬度值(HB)，單位為公斤力/mm2(N/mm2)。

2.洛氏硬度(HR)

當(dāng)HB>450或者試樣過小時(shí)，不能采用布氏硬度試驗(yàn)而改用洛氏硬度計(jì)量。它是用一個(gè)頂角120°的金剛石圓錐體或直徑為1.59、3.18mm的鋼球，在一定載荷下壓入被測材料表面，由壓痕的深度求出材料的硬度。根據(jù)試驗(yàn)材料硬度的不同，分三種不同的標(biāo)度來表示：

HRA：是采用60kg載荷和鉆石錐壓入器求得的硬度，用于硬度極高的材料(如硬質(zhì)合金等)。

HRB：是采用100kg載荷和直徑1.58mm淬硬的鋼球，求得的硬度，用于硬度較低的材料(如退火鋼、鑄鐵等)。

HRC：是采用150kg載荷和鉆石錐壓入器求得的硬度，用于硬度很高的材料(如淬火鋼等)。

3 維氏硬度(HV)

以120kg以內(nèi)的載荷和頂角為136°的金剛石方形錐壓入器壓入材料表面，用材料壓痕凹坑的表面積除以載荷值，即為維氏硬度HV值(kgf/mm2)。

常用的硬度指標(biāo)有：布氏硬度（HB），洛氏硬度（HR），維氏硬度（HV），一下分別介紹。

硬度指標(biāo)布氏硬度（HB）

以一定的載荷（一般3000kg）把一定大小（直徑一般為10mm）的淬硬鋼球壓入材料表面，保持一段時(shí)間，去載后，負(fù)荷與其壓痕面積之比值，即為布氏硬度值（HB），單位為公斤力/mm2 (N/mm2)。

測定布氏硬度較準(zhǔn)確可靠，布氏硬度范圍為8~650HB。但一般HB只適用于450N/mm2（MPa）以下的金屬材料，對于較硬的鋼或較薄的板材不適用。在鋼管標(biāo)準(zhǔn)中，布氏硬度用途最廣，往往以壓痕直徑d來表示該材料的硬度，既直觀，又方便。

硬度指標(biāo)洛氏硬度（HR）

當(dāng)HB>450或者試樣過小時(shí)，不能采用布氏硬度試驗(yàn)而改用洛氏硬度計(jì)量。洛氏硬度是以頂角為120°的金剛石圓錐體或直徑為Φ1.588㎜的淬火鋼球作壓頭，以規(guī)定的試驗(yàn)力使其壓入試樣表面。試驗(yàn)時(shí)，先加初試驗(yàn)力，然后加主試驗(yàn)力。壓入試樣表面之后卸除主試驗(yàn)力，在保留初試驗(yàn)力的情況下，根據(jù)試樣表面壓痕深度，確定被測金屬材料的洛氏硬度值。

洛氏硬度值由h的大小確定，壓入深度h越大，硬度越低；反之，則硬度越高。一般說來，按照人們習(xí)慣上的概念，數(shù)值越大，硬度越高。因此采用一個(gè)常數(shù)c減去h來表示硬度的高低。并用每0.002㎜的壓痕深度為一個(gè)硬度單位。由此獲得的硬度值稱為洛氏硬度值，用符號HR表示。

由此獲得的洛氏硬度值HR為一無名數(shù)，試驗(yàn)時(shí)一般由試驗(yàn)機(jī)指示器上直接讀出。

根據(jù)試驗(yàn)材料硬度的不同，分三種不同的標(biāo)度來表示：

HRA：是采用60kg載荷和鉆石錐壓入器求得的硬度，用于硬度極高的材料（如硬質(zhì)合金等）。

HRB：是采用100kg載荷和直徑1.58mm淬硬的鋼球，求得的硬度，用于硬度較低的材料（如退火鋼、鑄鐵等）。

HRC：是采用150kg載荷和鉆石錐壓入器求得的硬度，用于硬度很高的材料（如淬火鋼等）。

洛氏硬度的三種標(biāo)尺中，以HRC應(yīng)用最多，一般經(jīng)淬火處理的鋼或工具都采用HRC測量。在中等硬度情況下，洛氏硬度HRC與布氏硬度HBS之間關(guān)系約為1：10，如40HRC 相當(dāng)于400HBS 。如50HRC，表示用HRC標(biāo)尺測定的洛氏硬度值為50。硬度值應(yīng)在有效測量范圍內(nèi)（HRC為20－70）為有效。

硬度指標(biāo)維氏硬度（HV）

維氏硬度試驗(yàn)原理與布氏硬度相似，也是根據(jù)壓痕單位表面積上的試驗(yàn)力大小來計(jì)算硬度值。區(qū)別在于壓頭采用錐面夾角為136°的金剛石正四棱錐體，將其以選定的試驗(yàn)力壓入試樣表面，按規(guī)定保持一定時(shí)間后卸除試驗(yàn)力，通過測量壓痕的對角線長可以計(jì)算出壓痕的表面積，試驗(yàn)力與壓痕的表面積相除得到的商就是維氏硬度值。

維氏硬度法適用范圍寬，尤其適用于測定金屬鍍層、薄片金屬及化學(xué)熱處理后的表面硬度，其結(jié)果精確可靠。當(dāng)試驗(yàn)力小于0.2 kgf?。?.961N）時(shí)，可用于測量金相組織中不同相的硬度。

試驗(yàn)優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：①與布氏、洛氏硬度試驗(yàn)比較，維氏硬度試驗(yàn)不存在試驗(yàn)力與壓頭直徑有一定比例關(guān)系的約束； ②不存在壓頭變形問題； ③壓痕輪廓清晰，采用對角線長度計(jì)量，精確可靠，硬度值誤差較小。

缺點(diǎn)：其硬度值需要先測量對角線長度，然后經(jīng)計(jì)算或查表確定，故效率不如洛氏硬度試驗(yàn)高。根據(jù)壓頭形狀、材料及加載大小的不同，硬度可有布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度和顯微硬度，它們適用于不同的材料。

硬度指標(biāo)肖氏硬度（HS）

肖氏硬度采用回跳實(shí)驗(yàn)來確定硬度值。試驗(yàn)方法如下：將撞銷從一定高度落到試樣表面，撞銷發(fā)生回跳，根據(jù)回跳的高度來確定材料的硬度值。

肖氏硬度法的優(yōu)點(diǎn)是簡便易得，缺點(diǎn)是準(zhǔn)確度稍差。 2100433B