國(guó)產(chǎn)硬度計(jì)洛氏硬度測(cè)量

洛氏硬度測(cè)量法是最常用的硬度試驗(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(lái)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(shuō)明試件越軟，h 值越小，說(shuō)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(lái)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(wú)量綱數(shù)。測(cè)量時(shí)可直接在表盤(pán)上讀出。表盤(pán)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(pán)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(pán)表示，此時(shí)洛氏硬度計(jì)的壓頭共有 5 種，其中最常用的有兩種：一種是頂角為120°的金剛石圓錐壓頭，用來(lái)測(cè)試高硬度的材料；另一種是直徑為的淬火鋼球，用來(lái)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(guò)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(pán)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

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(pán) 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

隨著單片技術(shù)的發(fā)展，1978年，瑞士人Leeb博士首次提出了一種全新的測(cè)硬方法，它的基本原理是具有一定質(zhì)量的沖擊體在一定的試驗(yàn)力作用下沖擊試樣表面，測(cè)量沖擊體距試樣表面1mm處的沖擊速度與回跳速度，利用電磁原理，感應(yīng)與速度成正比的電壓。里氏硬度值以沖擊體回跳速度與沖擊速度之比來(lái)表示。

計(jì)算公式：HL=1000*（VB/VA）式中：

HL——里氏硬度值

VB——沖擊體回跳速度VA——沖擊體沖擊速度

如北京紅外時(shí)代THL30多功能里氏硬度計(jì)

測(cè)量范圍：HLD（170-960）, HRC (20-68), HB (19-651), HV (80-976),

HS (30-100), HRA (59-85), HRB (13-100)

測(cè)量方向：支持360o(垂直向下、斜下、水平、斜上、垂直向上)

硬度制式：里氏(HL)、布氏(HB)、洛氏B(HRB)、洛氏C(HRC)、

洛氏A(HRA)、維氏(HV)、肖氏(HS)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：最大600組（沖擊次數(shù)32～1）硬度測(cè)量數(shù)據(jù)

工作電壓：鋰離子聚合物3.7V/600mAh持續(xù)工作時(shí)間：約50小時(shí)（不開(kāi)背光時(shí)）

外形尺寸：152*84*34mm（主機(jī)）

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(guò)程中所表面出來(lái)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)介紹最常用的洛氏、布氏、維氏和顯微硬度測(cè)試法。

國(guó)產(chǎn)硬度計(jì)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。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(xiě)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。德國(guó)的邁耶爾(Mayer)通過(guò)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(wú)關(guān)，而常數(shù)a 則隨 D 值的增大而減小，此式說(shuō)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　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。

國(guó)產(chǎn)硬度計(jì)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

140~150

6~3

4~3

<2

P=30D2

10

5.0

2.5

3000

750

187.5

10

黑色金屬

<140

>6

6~3

<3

P=10D2

10

5.0

2.5

1000

250

62.5

10

>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

有色金屬 30

8~35

>6

6~3

<3

P=2.5D2

10

5.0

2.5

250

62.5

15.6

30

國(guó)產(chǎn)硬度計(jì)布氏硬度的特點(diǎn)

布氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是其硬度代表性全面，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(jiàn)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(wèn)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(guò)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(guò)查表得到布氏硬度值)。

北京紅外時(shí)代THBC系列布氏硬度計(jì)

為了避免鋼球壓頭的永久變形，布氏硬度法只能用來(lái)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(méi)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。

國(guó)產(chǎn)硬度計(jì)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。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　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°。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(kāi)始變形使壓痕直徑偏大所造成的。

國(guó)產(chǎn)硬度計(jì)維氏硬度的測(cè)試

1．對(duì)試樣的要求

要求試樣經(jīng)過(guò)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(wú)法統(tǒng)一的問(wèn)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(wèn)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(wú)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)量精確可靠，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(guò)程中需要測(cè)量對(duì)角線的長(zhǎng)度，然后通過(guò)計(jì)算或查表才能得到硬度值。測(cè)量過(guò)程繁瑣，工作效率低。在測(cè)量過(guò)程中，采用計(jì)算機(jī)控制測(cè)量過(guò)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。如北京紅外時(shí)代國(guó)產(chǎn)THV系列