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洛氏布氏維氏硬度計的測試原理

日期：2010-08-23　　有1946人瀏覽

硬度計的種類很多，這里重點介紹ZUI常用的洛氏、布氏、維氏硬度計的測試原理。

一、洛氏硬度的測量原理

洛氏硬度測量法是ZUI常用的硬度試驗方法之一。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。圖14-1表示了洛氏硬度的測量原理。

圖中：

0-0：未加載荷，壓頭未接觸試件時的位置。

1-1：壓頭在預載荷P₀(98.1N)作用下壓入試件深度為h₀時的位置。h₀包括預載所引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后但仍保留預載荷P₀時壓頭的位置，壓頭壓入試樣的深度為h₁。由于P₁所產生的彈性變形被消除，所以壓頭位置提高了h，此時壓頭受主載荷作用實際壓入的濃度為h= h₁- h₀。實際代表主載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。為了適應人們習慣上數值越大硬度越高的概念，人為規定，用一常數K減去壓痕深度h的數值來表示硬度的高低。并規定0.002mm為一個洛氏硬度單位，用符號HR表示，則洛氏硬度值為：

為了擴大洛氏硬度的測量范圍，可用不同的壓頭和不同的總載荷配成不同標度的洛氏硬度。洛氏硬度共有15種標度供選擇，它們分別為：HRA，HRB，HRC，HRD，HRE，HRF，HRG，HRH，HRK，HRL，HRM，HRP，HRR，HRS，HRV。其中常用的幾種標度列表如下：

表14-1 各種洛氏硬度值的符號及應用

標度符號	壓頭	總載荷 N(kg)	表盤上刻度顏色	常用硬度值范圍	應用舉例
HRA	金剛石圓錐	588.6(60)	黑色	70~85	碳化物、硬質合金、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、調質鋼等
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、布氏硬度的測量原理

選擇一事實上的載荷P，把直徑為D的淬火鋼球壓入試件表面并保持一定時間，然后卸去載荷，測量鋼球在試樣表面壓出的壓痕直徑d，計算出壓痕面積，算出載荷P與壓痕面積的比值，這個比值所表示的硬度就是布氏硬度，用符號HB表示。布氏硬度的測量原理如圖11-2所示。設壓痕的深度為h，則壓痕的球冠面積為：

(14-2)

式中：P——測試用的載荷(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，這是目前各國文獻中常用的單位，通常只給出數值而不寫單位，如HB200，若要換算成國際單位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行測試時，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14-3所示。德國的邁耶爾(Mayer)通過試驗得出重要經驗關系。當d/D>0.1時，壓痕直徑d與載荷的關系為：

(14-3)

這個公式稱為邁耶爾定律。他還得出如下的結論：當使用的壓頭直徑不同時，指數n幾乎與D無關，而常數a則隨D值的增大而減小，且：

此式說明，在進行布氏硬度測試時，只要使P/D²為一常數，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。

所以在布氏硬度測量中只要滿足P/D²為常數，則同一材料測得的布氏硬度值是相同的。不同材料測得的布氏硬度值也可以進行比較。P/D²的數值不是隨便規定的，各種材料軟硬相差很大。如果只規定一個P/D²的值，對于較硬的材料，壓入角會太小；對于較軟的材料，壓入角又會很大。若壓入角太小，壓痕就小，測量誤差就會很大。當入壓角較大但小于90°時，壓痕直徑隨壓入深度增加有較大變化，有利于測量。但當壓入角大小90°時，隨壓入深度的增加，壓痕變化較小。為了提高測量精度，通常使0.252值。國家標準規定P/D²的比值為30、10、25三種。在測量中對較軟的材料因塑性變形較大，施加載荷應小一些。

布氏硬度儀的試驗規范列表

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的關系	鋼球直徑 D,mm	載荷P,kg	載荷保持時間，s
黑色金屬	140~150	6~3 4~3 <2	P=30D²	10 5.0 2.5	3000 750 187.5	10
黑色金屬	<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

表14-2

三、維氏硬度的測量原理

維氏硬度的測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。正四棱錐兩對面的夾角為136°，底面為正方形，如圖14-4所示。維氏硬度所用的載荷有1kg、3kg、5kg、10kg、20kg、30kg、50kg、100kg、120kg等，負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底面為正方形的正四棱錐壓痕。用顯微鏡測定方坑對角線長度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：

則：

式中：P——載荷；

d——壓痕直徑；

F——壓痕面積。

當載荷P已知時，只要測得壓痕對角線長度d，就可以求出維氏硬度值。通常是在測量d值后從《壓印對角線與維氏硬度對照表》中查出相應的硬度值。

φ角選擇136°是為了使維氏硬度得到一個成比例的并在較低硬度時與布氏硬度基本一致的硬度值。在布氏測試法規定0.25 ，φ=44°，與此相對應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，這是由于布氏測試法所用的鋼球壓頭開始變形使壓痕直徑偏大所造成的。