第十章 硬度計(jì)量

第十章硬度計(jì)量第一節(jié)基本概念第二節(jié)硬度試驗(yàn)法第三節(jié)硬度計(jì)結(jié)構(gòu)1顏幸堯cjlu_yan@163.com第一節(jié)基本概念一、硬度的概念硬度是指物體的軟硬程度,是固體材料的一種機(jī)械特性。硬度是固體材料抵抗彈性形變、塑性形變和破壞的能力。硬度值的獲得不僅與材料的彈性極限、彈性模量、屈服極限、塑性、脆性以及材料的其他許多性質(zhì)都有關(guān)系,而且與人為規(guī)定的方法和條件有關(guān)。2為了確定材料的硬度所采用的試驗(yàn)方法稱為硬度試驗(yàn)法。硬度試驗(yàn)方法按施加負(fù)荷的情況可以分為靜負(fù)荷試驗(yàn)法和動(dòng)負(fù)荷試驗(yàn)法兩大類。

硬度實(shí)驗(yàn)第一節(jié)基本概念3①靜負(fù)荷試驗(yàn)法的原理是：

在一定的靜負(fù)荷作用下,把規(guī)定材料與形狀的壓頭壓入被試材料的表面,計(jì)量壓痕的深度或大小來(lái)獲得硬度值。②動(dòng)負(fù)荷試驗(yàn)法的原理是:

在一定的動(dòng)負(fù)荷作用下,用規(guī)定材料與形狀的沖頭沖擊被試材料,通過(guò)計(jì)量沖頭回跳高度等參數(shù)來(lái)獲得硬度值。不同的實(shí)驗(yàn)方法，硬度表示方式不同。第一節(jié)基本概念4第一節(jié)基本概念動(dòng)負(fù)荷試驗(yàn)法：超聲波硬度、肖氏硬度、捶擊式布氏硬度靜負(fù)荷試驗(yàn)法：布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度、顯微硬度硬度試驗(yàn)法5第一節(jié)基本概念另外，許多硬度試驗(yàn)法是在20世紀(jì)初提出并建立的，基本上都涉及到負(fù)荷的施加，當(dāng)時(shí)廣泛采用的計(jì)量單位是工程單位制，即力的單位是公斤力（kgf）?，F(xiàn)在我國(guó)力的法定計(jì)量單位是牛頓(N)；由于歷史和習(xí)慣方面的原因，在有些場(chǎng)合（像硬度試驗(yàn)負(fù)荷)還使用一些非法定計(jì)量單位，如公斤力（kgf）、噸力（tf）等，它們與牛頓(N)的換算關(guān)系為:

1kgf=9.80665N1N=0.10197kgf

ltf=9806.65N1kN=101.97kd=0.10197tf6第一節(jié)基本概念

(1)試驗(yàn)后試件不破壞，甚至不受損傷。因?yàn)榱粼谠嚰砻嫔系脑囼?yàn)痕跡在大多數(shù)情況下不影響試件的使用。

(2)應(yīng)用范圍廣：如對(duì)成品、半成品、毛坯和原材料等都可進(jìn)行硬度試驗(yàn)．對(duì)于不能用刀具切割成試樣的工件(如工具、天平刀子和刀承等)測(cè)定硬度是唯一可行的試驗(yàn)方法。

(3)測(cè)定方法簡(jiǎn)單、迅速、硬度計(jì)操作簡(jiǎn)便易掌握，工作效率高，每小時(shí)可進(jìn)行成百次測(cè)定。

(4)對(duì)于重要零件可以進(jìn)行百分之百的試驗(yàn)，這是其他機(jī)械性能試驗(yàn)無(wú)法相比的。硬度試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)7第二節(jié)硬度試驗(yàn)法一、布氏硬度試驗(yàn)法

用載荷F把直徑為D的淬火鋼球壓人試件表面，并保持一定時(shí)間，而后卸除載荷，根據(jù)測(cè)量鋼球在試樣表面上所壓出的壓痕直徑d，先計(jì)算出壓痕球面積S，然后再計(jì)算出單位面積所受的力（F/S值），用此值表示試件的硬度值，即為布氏硬度。8第二節(jié)硬度試驗(yàn)法9第二節(jié)硬度試驗(yàn)法10第二節(jié)硬度試驗(yàn)法11第二節(jié)硬度試驗(yàn)法12第二節(jié)硬度試驗(yàn)法布式硬度計(jì)13壓頭為淬火鋼球，HBS；壓頭為硬質(zhì)合金球，HBWHBS或HBW之前的數(shù)字表示硬度值，其后的數(shù)字依次為壓頭直徑、壓力和保持時(shí)間。例:150HBSl0／3000/30表示用10mm直徑淬火鋼球，加壓3000kgf，保持30s，測(cè)得的布氏硬度值為150；500HBW5／750，表示用硬質(zhì)合金球，壓頭直輕5mm，加壓750kgf，保持10-15秒(保持時(shí)間為10-15時(shí)，可不加標(biāo)注)，測(cè)得布氏硬度值為500。符號(hào)表示第二節(jié)硬度試驗(yàn)法14第二節(jié)硬度試驗(yàn)法15第二節(jié)硬度試驗(yàn)法試驗(yàn)力保持時(shí)間，對(duì)黑色金屬為10-15s，有色金屬為30-50s；布氏硬度值小于HBS（W）35以下時(shí)為60-65s。布氏硬度試驗(yàn)法最常用的標(biāo)準(zhǔn)條件是：鋼球直徑為10mm，負(fù)荷為3000kgf。16第二節(jié)硬度試驗(yàn)法17第二節(jié)硬度試驗(yàn)法18第二節(jié)硬度試驗(yàn)法優(yōu)點(diǎn)：壓痕面積大，能反映出較大范圍內(nèi)材料各組成相的綜合平均性能，不受個(gè)別相和微區(qū)不均勻性的影響。布氏硬度分散性小，重復(fù)性好。缺點(diǎn)：由于壓痕面積大，不適于成品件；測(cè)硬度不同的材料需要更換壓頭直徑和載荷；壓痕直徑測(cè)量麻煩。適合于測(cè)定粗大晶?；虼执蠼M成相的材料的硬度，灰鑄鐵和軸承合金等。19200HBSl0／3000150HBW5／125/20第二節(jié)硬度試驗(yàn)法試述下列標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)的含義20第二節(jié)硬度試驗(yàn)法這種試驗(yàn)法是用金剛石圓錐體（錐角為120°，頂端球面半徑為0.2mm)或一定直徑的鋼球作壓頭，在預(yù)負(fù)荷P0（10kgf）和總負(fù)荷P先后作用下壓入試樣，以在總負(fù)荷作用后．卸除主負(fù)荷p1而保留預(yù)負(fù)荷時(shí)的壓入深度h1與在預(yù)負(fù)荷作用下的壓入深度h0之差h來(lái)表示洛氏硬度。深度差大則硬度值低，反之則硬度值高。每壓入2μm為一個(gè)洛氏硬度值。二、洛氏硬度試驗(yàn)法21第二節(jié)硬度試驗(yàn)法原理：洛氏硬度是直接測(cè)量壓痕深度，壓痕愈淺表示材料愈硬。如右圖所示22第二節(jié)硬度試驗(yàn)法HR——洛氏硬度符號(hào)；K——常數(shù)，用鋼球壓頭時(shí)為130；用金剛石壓頭時(shí)為100；h1——在已施加總負(fù)荷P，卸除主負(fù)荷P1，但仍保留預(yù)負(fù)荷P0時(shí)，壓頭壓入試樣表面的深度；h0——在預(yù)負(fù)荷P0作用下，壓頭壓入試樣表面的深度：c——規(guī)定為0.002mm。23第二節(jié)硬度試驗(yàn)法洛式硬度計(jì)24第二節(jié)硬度試驗(yàn)法洛氏硬度規(guī)定以符號(hào)HR表示，并注意所用標(biāo)尺A、B、C等字樣，如HRA、HRB、HRC等。50HRC即用C標(biāo)尺測(cè)定的洛氏硬度值為50。25第二節(jié)硬度試驗(yàn)法26第二節(jié)硬度試驗(yàn)法常用壓頭：頂角為1200的金剛石圓錐體；直徑為Φ1.588mm、3.175mm的淬火鋼球壓頭。

實(shí)驗(yàn)程序：先加10kg預(yù)壓力，再加主壓力。預(yù)壓力+主壓力=總壓力，總壓力視材料的軟硬而定；“不同壓頭,不同的總壓力”組成不同的洛氏硬度標(biāo)尺。

常用標(biāo)尺：常用A、B和C三種標(biāo)尺，C標(biāo)尺最普遍。用這三種標(biāo)尺的硬度記為HRA、HRB和HRC。27第二節(jié)硬度試驗(yàn)法洛氏硬度的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：①硬度值可從硬度機(jī)的表盤上直接讀出，簡(jiǎn)便迅速,工效高；②對(duì)試件表面造成的損傷較小，可用于成品零件的質(zhì)量檢驗(yàn)；③加有預(yù)載荷，可以消除表面輕微的不平度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。缺點(diǎn):①不同標(biāo)尺的洛氏硬度值無(wú)法相互比較。②由于壓痕小，所以洛氏硬度對(duì)材料組織不均勻性很敏感，測(cè)試結(jié)果比較分散，重復(fù)性差.28第二節(jié)硬度試驗(yàn)法表面洛氏硬度表面洛氏硬度試驗(yàn)法的原理與洛氏硬度試驗(yàn)法相同。不同的是預(yù)負(fù)荷P0為30N；總負(fù)荷P分別為150、300、450N；每壓入1μm為一個(gè)表面洛氏硬度單位。表面洛氏硬度規(guī)定以符號(hào)HR表示，但必須注明所用標(biāo)尺15N、30N、45N、15T、30T、45T等字樣。如HR15N、HR30N、HR45N、HR15T、HR30T、HR45T等。表面洛氏硬度值符號(hào)舉例：50HR45N即用450N的總負(fù)荷和金剛石圓錐體壓頭測(cè)定的表面洛氏硬度值為50。29第二節(jié)硬度試驗(yàn)法HR——表面洛氏硬度符號(hào)；K——常數(shù)，為100；h1——在已施加總負(fù)荷P，卸除主負(fù)荷P1但仍保留預(yù)負(fù)荷P0時(shí)，壓頭壓入試樣表面的深度；h0——在預(yù)負(fù)荷P0作用下，壓頭壓入試樣表面的深度：c——規(guī)定為0.001mm。30第二節(jié)硬度試驗(yàn)法

維氏硬度試驗(yàn)主要用于材料研究和科學(xué)試驗(yàn)方面小負(fù)荷維氏硬度試驗(yàn)主要用于測(cè)試小型精密零件的硬度，表面硬化層硬度和有效硬化層深度，鍍層的表面硬度，薄片材料和細(xì)線材的硬度，刀刃附近的硬度，牙科材料的硬度等，由于試驗(yàn)力很小，壓痕也很小，試樣外觀和使用性能都可以不受影響。

三、維氏硬度試驗(yàn)法31第二節(jié)硬度試驗(yàn)法維氏硬度計(jì)32第二節(jié)硬度試驗(yàn)法原理與方法基本上與布氏硬度的相同，根據(jù)單位壓痕表面積上所承受的壓力來(lái)定義硬度值。但測(cè)定維氏硬度所用的壓頭為金剛石制成的四方角錐體，兩相對(duì)面間的夾角為1360，所加的載荷較小。33第二節(jié)硬度試驗(yàn)法壓頭壓入試件表面，保持一定的時(shí)間后卸除壓力，試件表面上留下壓痕。已知載荷F，測(cè)得壓痕兩對(duì)角線長(zhǎng)度后取平均值d，計(jì)算維氏硬度值，HV=1.8544F/d2，單位一般不標(biāo)注。

34第二節(jié)硬度試驗(yàn)法載荷為5kgf,10kgf，20kgf，30kgf，50kgf和100kgf等6種。與布氏硬度相同，例：640HV30／20，最前面數(shù)字為硬度值，后面數(shù)字依次為載荷/保持時(shí)間。表示方法35第二節(jié)硬度試驗(yàn)法維氏硬度測(cè)試采用了四方角錐體壓頭，各種載荷作用下所得的壓痕幾何相似，載荷大小任意選擇，所得硬度值均相同，不受布氏法那種載荷F和壓頭D的規(guī)定條件的約束。測(cè)量范圍較寬，軟硬材料都可測(cè)。壓痕為一輪廓清晰的正方形，對(duì)角線長(zhǎng)度易于精確測(cè)量，故精度較布氏法的高。材料的硬度小于450HV時(shí)，維氏硬度值與布氏硬度值大致相同。36第二節(jié)硬度試驗(yàn)法布、洛及維氏三種硬度試驗(yàn)只能測(cè)得組織的平均硬度值測(cè)定極小范圍內(nèi)的硬度，需用顯微硬度試驗(yàn)顯微硬度試驗(yàn)一般是指測(cè)試載荷小于10N力的硬度試驗(yàn)，常用的有顯微維氏硬度和努氏硬度。

顯微維氏硬度37第二節(jié)硬度試驗(yàn)法顯微硬度試驗(yàn)法具有多種形式的金剛石壓頭，這是與維氏硬度試驗(yàn)有較大的區(qū)別。金剛石正四角錐體努普壓頭（努氏硬度）38第二節(jié)硬度試驗(yàn)法①金剛石正四角錐體：兩棱面夾角為136°，與維氏硬度試驗(yàn)所用的壓頭形狀相同，其硬度值計(jì)算公式如下：金剛石正四角錐體這種壓頭是最常用的，現(xiàn)代采用的顯微硬度試驗(yàn)法中有90％的壓頭都是這種形式的。主要用于測(cè)定金屬材料、小零件、薄試樣以及鍍層硬度。39第二節(jié)硬度試驗(yàn)法顯微維氏硬度試驗(yàn)實(shí)質(zhì)上就是小載荷的維氏硬度試驗(yàn)，其測(cè)試原理和維氏硬度試驗(yàn)相同，仍用HV表示。如340HV0.1表示用0.1kgf的載荷測(cè)得的維氏顯微硬度為340，340HV0.05則是表示用0.05kgf的載荷測(cè)得的硬度為340.表示方法測(cè)試載荷小，載荷與壓痕之間的關(guān)系不一定像維氏硬度試驗(yàn)符合幾何相似原理，必須注明載荷大小，以便比較。40第二節(jié)硬度試驗(yàn)法努普硬度試驗(yàn)法是用努普壓頭，在一定的負(fù)荷作用下壓入試件，經(jīng)規(guī)定的負(fù)荷保持時(shí)間后，卸除負(fù)荷，以所用的負(fù)荷除以壓痕的投影面積所得的商數(shù)表示硬度值。其計(jì)算公式如下：努氏硬度41第二節(jié)硬度試驗(yàn)法努氏硬度是維氏硬度的發(fā)展。長(zhǎng)棱形金剛石壓頭，兩長(zhǎng)棱夾角為172.50，兩短棱夾角為1300。壓痕是長(zhǎng)短對(duì)角線比值為7.11的菱形壓痕。努普壓頭42第二節(jié)硬度試驗(yàn)法努普硬度表示方法：符號(hào)HK應(yīng)附以相應(yīng)的指數(shù)，注明試驗(yàn)負(fù)荷的數(shù)值。例如：300HK0.1即表示在0.11kgf力的負(fù)荷下，在規(guī)定的負(fù)荷保持時(shí)間內(nèi)，所測(cè)得的硬度值為300。這種壓頭主要用于測(cè)定較硬較脆的試樣，它可以使所得壓痕的對(duì)角線增長(zhǎng)。在同樣負(fù)荷下正四棱角錐體壓頭和努普壓頭所得的壓痕深度，后者要比前者小得多，約為前者的80％；而壓痕長(zhǎng)度約為前者的三倍。所以此種壓頭宜于測(cè)定薄鍍層的硬度；或是脆性材料的硬度，如玻璃、瑪瑙、炭化物等。43第二節(jié)硬度試驗(yàn)法特點(diǎn)：（1）載荷小，壓痕極小，幾乎不損壞試件，便于測(cè)定微小區(qū)域內(nèi)的硬度值。（2）靈敏度高。顯微硬度試驗(yàn)特點(diǎn)及應(yīng)用44第二節(jié)硬度試驗(yàn)法原理：金剛石沖頭從一定高度h1自由下落到試件表面，因試件的彈性變形使其回跳到某高度h2，用兩個(gè)高度的比值計(jì)算肖氏硬度值:HS=Kh2/h1肖氏硬度HS—肖式硬度值K—系數(shù)45第二節(jié)硬度試驗(yàn)法C型肖氏硬度計(jì)K=D型肖氏硬度計(jì)K=1401046.546第二節(jié)硬度試驗(yàn)法C型肖氏硬度計(jì)的刻度原理：對(duì)于淬火的高碳鋼試樣，在C型肖氏硬度計(jì)上，以高度h1=254mm時(shí)，落下的沖頭（頂端球面半徑為1.25mm，質(zhì)量為2.36g的回跳高h(yuǎn)2=165.1mm時(shí)，定為100HS；回跳高度h2=0時(shí)定為0HS，兩者高度差為165.1mm，然后進(jìn)行100等分刻度。47第二節(jié)硬度試驗(yàn)法

D型肖氏硬度計(jì)刻度原理：對(duì)焠火的高碳鋼試