第十章 硬度計量

第十章硬度計量第一節(jié)基本概念第二節(jié)硬度試驗法第三節(jié)硬度計結構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都有關系,而且與人為規(guī)定的方法和條件有關。2為了確定材料的硬度所采用的試驗方法稱為硬度試驗法。硬度試驗方法按施加負荷的情況可以分為靜負荷試驗法和動負荷試驗法兩大類。

硬度實驗第一節(jié)基本概念3①靜負荷試驗法的原理是：

在一定的靜負荷作用下,把規(guī)定材料與形狀的壓頭壓入被試材料的表面,計量壓痕的深度或大小來獲得硬度值。②動負荷試驗法的原理是:

在一定的動負荷作用下,用規(guī)定材料與形狀的沖頭沖擊被試材料,通過計量沖頭回跳高度等參數來獲得硬度值。不同的實驗方法，硬度表示方式不同。第一節(jié)基本概念4第一節(jié)基本概念動負荷試驗法：超聲波硬度、肖氏硬度、捶擊式布氏硬度靜負荷試驗法：布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度、顯微硬度硬度試驗法5第一節(jié)基本概念另外，許多硬度試驗法是在20世紀初提出并建立的，基本上都涉及到負荷的施加，當時廣泛采用的計量單位是工程單位制，即力的單位是公斤力（kgf）。現在我國力的法定計量單位是牛頓(N)；由于歷史和習慣方面的原因，在有些場合（像硬度試驗負荷)還使用一些非法定計量單位，如公斤力（kgf）、噸力（tf）等，它們與牛頓(N)的換算關系為:

1kgf=9.80665N1N=0.10197kgf

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

(1)試驗后試件不破壞，甚至不受損傷。因為留在試件表面上的試驗痕跡在大多數情況下不影響試件的使用。

(2)應用范圍廣：如對成品、半成品、毛坯和原材料等都可進行硬度試驗．對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)測定硬度是唯一可行的試驗方法。

(3)測定方法簡單、迅速、硬度計操作簡便易掌握，工作效率高，每小時可進行成百次測定。

(4)對于重要零件可以進行百分之百的試驗，這是其他機械性能試驗無法相比的。硬度試驗的優(yōu)點7第二節(jié)硬度試驗法一、布氏硬度試驗法

用載荷F把直徑為D的淬火鋼球壓人試件表面，并保持一定時間，而后卸除載荷，根據測量鋼球在試樣表面上所壓出的壓痕直徑d，先計算出壓痕球面積S，然后再計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)硬度試驗法9第二節(jié)硬度試驗法10第二節(jié)硬度試驗法11第二節(jié)硬度試驗法12第二節(jié)硬度試驗法布式硬度計13壓頭為淬火鋼球，HBS；壓頭為硬質合金球，HBWHBS或HBW之前的數字表示硬度值，其后的數字依次為壓頭直徑、壓力和保持時間。例:150HBSl0／3000/30表示用10mm直徑淬火鋼球，加壓3000kgf，保持30s，測得的布氏硬度值為150；500HBW5／750，表示用硬質合金球，壓頭直輕5mm，加壓750kgf，保持10-15秒(保持時間為10-15時，可不加標注)，測得布氏硬度值為500。符號表示第二節(jié)硬度試驗法14第二節(jié)硬度試驗法15第二節(jié)硬度試驗法試驗力保持時間，對黑色金屬為10-15s，有色金屬為30-50s；布氏硬度值小于HBS（W）35以下時為60-65s。布氏硬度試驗法最常用的標準條件是：鋼球直徑為10mm，負荷為3000kgf。16第二節(jié)硬度試驗法17第二節(jié)硬度試驗法18第二節(jié)硬度試驗法優(yōu)點：壓痕面積大，能反映出較大范圍內材料各組成相的綜合平均性能，不受個別相和微區(qū)不均勻性的影響。布氏硬度分散性小，重復性好。缺點：由于壓痕面積大，不適于成品件；測硬度不同的材料需要更換壓頭直徑和載荷；壓痕直徑測量麻煩。適合于測定粗大晶粒或粗大組成相的材料的硬度，灰鑄鐵和軸承合金等。19200HBSl0／3000150HBW5／125/20第二節(jié)硬度試驗法試述下列標準符號的含義20第二節(jié)硬度試驗法這種試驗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，在預負荷P0（10kgf）和總負荷P先后作用下壓入試樣，以在總負荷作用后．卸除主負荷p1而保留預負荷時的壓入深度h1與在預負荷作用下的壓入深度h0之差h來表示洛氏硬度。深度差大則硬度值低，反之則硬度值高。每壓入2μm為一個洛氏硬度值。二、洛氏硬度試驗法21第二節(jié)硬度試驗法原理：洛氏硬度是直接測量壓痕深度，壓痕愈淺表示材料愈硬。如右圖所示22第二節(jié)硬度試驗法HR——洛氏硬度符號；K——常數，用鋼球壓頭時為130；用金剛石壓頭時為100；h1——在已施加總負荷P，卸除主負荷P1，但仍保留預負荷P0時，壓頭壓入試樣表面的深度；h0——在預負荷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)硬度試驗法洛式硬度計24第二節(jié)硬度試驗法洛氏硬度規(guī)定以符號HR表示，并注意所用標尺A、B、C等字樣，如HRA、HRB、HRC等。50HRC即用C標尺測定的洛氏硬度值為50。25第二節(jié)硬度試驗法26第二節(jié)硬度試驗法常用壓頭：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。

實驗程序：先加10kg預壓力，再加主壓力。預壓力+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尺。

常用標尺：常用A、B和C三種標尺，C標尺最普遍。用這三種標尺的硬度記為HRA、HRB和HRC。27第二節(jié)硬度試驗法洛氏硬度的特點優(yōu)點：①硬度值可從硬度機的表盤上直接讀出，簡便迅速,工效高；②對試件表面造成的損傷較小，可用于成品零件的質量檢驗；③加有預載荷，可以消除表面輕微的不平度對試驗結果的影響。缺點:①不同標尺的洛氏硬度值無法相互比較。②由于壓痕小，所以洛氏硬度對材料組織不均勻性很敏感，測試結果比較分散，重復性差.28第二節(jié)硬度試驗法表面洛氏硬度表面洛氏硬度試驗法的原理與洛氏硬度試驗法相同。不同的是預負荷P0為30N；總負荷P分別為150、300、450N；每壓入1μm為一個表面洛氏硬度單位。表面洛氏硬度規(guī)定以符號HR表示，但必須注明所用標尺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舉例：50HR45N即用450N的總負荷和金剛石圓錐體壓頭測定的表面洛氏硬度值為50。29第二節(jié)硬度試驗法HR——表面洛氏硬度符號；K——常數，為100；h1——在已施加總負荷P，卸除主負荷P1但仍保留預負荷P0時，壓頭壓入試樣表面的深度；h0——在預負荷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)硬度試驗法

維氏硬度試驗主要用于材料研究和科學試驗方面小負荷維氏硬度試驗主要用于測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，薄片材料和細線材的硬度，刀刃附近的硬度，牙科材料的硬度等，由于試驗力很小，壓痕也很小，試樣外觀和使用性能都可以不受影響。

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

34第二節(jié)硬度試驗法載荷為5kgf,10kgf，20kgf，30kgf，50kgf和100kgf等6種。與布氏硬度相同，例：640HV30／20，最前面數字為硬度值，后面數字依次為載荷/保持時間。表示方法35第二節(jié)硬度試驗法維氏硬度測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。測量范圍較寬，軟硬材料都可測。壓痕為一輪廓清晰的正方形，對角線長度易于精確測量，故精度較布氏法的高。材料的硬度小于450HV時，維氏硬度值與布氏硬度值大致相同。36第二節(jié)硬度試驗法布、洛及維氏三種硬度試驗只能測得組織的平均硬度值測定極小范圍內的硬度，需用顯微硬度試驗顯微硬度試驗一般是指測試載荷小于10N力的硬度試驗，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)硬度試驗法顯微硬度試驗法具有多種形式的金剛石壓頭，這是與維氏硬度試驗有較大的區(qū)別。金剛石正四角錐體努普壓頭（努氏硬度）38第二節(jié)硬度試驗法①金剛石正四角錐體：兩棱面夾角為136°，與維氏硬度試驗所用的壓頭形狀相同，其硬度值計算公式如下：金剛石正四角錐體這種壓頭是最常用的，現代采用的顯微硬度試驗法中有90％的壓頭都是這種形式的。主要用于測定金屬材料、小零件、薄試樣以及鍍層硬度。39第二節(jié)硬度試驗法顯微維氏硬度試驗實質上就是小載荷的維氏硬度試驗，其測試原理和維氏硬度試驗相同，仍用HV表示。如340HV0.1表示用0.1kgf的載荷測得的維氏顯微硬度為340，340HV0.05則是表示用0.05kgf的載荷測得的硬度為340.表示方法測試載荷小，載荷與壓痕之間的關系不一定像維氏硬度試驗符合幾何相似原理，必須注明載荷大小，以便比較。40第二節(jié)硬度試驗法努普硬度試驗法是用努普壓頭，在一定的負荷作用下壓入試件，經規(guī)定的負荷保持時間后，卸除負荷，以所用的負荷除以壓痕的投影面積所得的商數表示硬度值。其計算公式如下：努氏硬度41第二節(jié)硬度試驗法努氏硬度是維氏硬度的發(fā)展。長棱形金剛石壓頭，兩長棱夾角為172.50，兩短棱夾角為1300。壓痕是長短對角線比值為7.11的菱形壓痕。努普壓頭42第二節(jié)硬度試驗法努普硬度表示方法：符號HK應附以相應的指數，注明試驗負荷的數值。例如：300HK0.1即表示在0.11kgf力的負荷下，在規(guī)定的負荷保持時間內，所測得的硬度值為300。這種壓頭主要用于測定較硬較脆的試樣，它可以使所得壓痕的對角線增長。在同樣負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％；而壓痕長度約為前者的三倍。所以此種壓頭宜于測定薄鍍層的硬度；或是脆性材料的硬度，如玻璃、瑪瑙、炭化物等。43第二節(jié)硬度試驗法特點：（1）載荷小，壓痕極小，幾乎不損壞試件，便于測定微小區(qū)域內的硬度值。（2）靈敏度高。顯微硬度試驗特點及應用44第二節(jié)硬度試驗法原理：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，用兩個高度的比值計算肖氏硬度值:HS=Kh2/h1肖氏硬度HS—肖式硬度值K—系數45第二節(jié)硬度試驗法C型肖氏硬度計K=D型肖氏硬度計K=1401046.546第二節(jié)硬度試驗法C型肖氏硬度計的刻度原理：對于淬火的高碳鋼試樣，在C型肖氏硬度計上，以高度h1=254mm時，落下的沖頭（頂端球面半徑為1.25mm，質量為2.36g的回跳高h2=165.1mm時，定為100HS；回跳高度h2=0時定為0HS，兩者高度差為165.1mm，然后進行100等分刻度。47第二節(jié)硬度試驗法

D型肖氏硬度計刻度原理：對焠火的高碳鋼試