各种硬度计的原理、构造及应用与材料的关系
硬度反映了材料弹塑性变形特性，是一项重要的力学性能指标。与其他力学性能的测试方法相比，硬度试验具有下列优点：试样制备简单，可在各种不同尺寸的试样上进行试验，试验后试样基本不受破坏；设备简便，操作方便，测量速度快；硬度与强度之间有近似的换算关系，根据测出的硬度值就可以粗略地估算强度极限值。所以硬度试验在实际中得到广泛地应用。
硬度测定是指反一定的形状和尺寸的较硬物体(压头)以一定压力接触材料表面，测定材料在变形过程中所表面出来的抗力。有的硬度表示了材料抵抗塑性变形的能力(如不同载荷压入硬度测试法)，有的硬度表示材料抵抗弹性变形的能力(如肖氏硬度)。通常压入载荷大于9.81N(1kgf)时测试的硬度叫宏观硬度，压力载荷小于9.81N(1kgf)时测试的硬度叫微观硬度。前者用于较在尺寸的试件，希反映材料宏观范围性能；后者用于小而薄的试件，希反映微小区域的性能，如显微组织中不同的相的硬度，材料表面的硬度等。
硬度计的种类很多，这里重点介绍最常用的洛氏、布氏、维氏和显微硬度测试法。
14.1 洛氏硬度测试法
一、洛氏硬度的测量原理
洛氏硬度测量法是最常用的硬度试验方法之一。它是用压头(金刚石圆锥或淬火钢球)在载荷(包括预载荷和主载荷)作用下，压入材料的塑性变形浓度来表示的。通常压入材料的深度越大，材料越软；压入的浓度越小，材料越硬。图14-1表示了洛氏硬度的测量原理。
图中：
0-0：未加载荷，压头未接触试件时的位置。
1-1：压头在预载荷P0(98.1N)作用下压入试件深度为h0时的位置。h0包括预载所相起的弹形变形和塑性变形。
2-2：加主载荷P1后，压头在总载荷P= P0+ P1的作用下压入试件的位置。
3-3：去除主载荷P1后但仍保留预载荷P0时压头的位置，压头压入试样的深度为h1。由于P1所产生的弹性变形被消除，所以压头位置提高了h，此时压头受主载荷作用实际压入的浓度为h= h1- h0。实际代表主载P1造成的塑性变形深度。
h值越大，说明试件越软，h值越小，说明试件越硬。为了适应人们习惯上数值越大硬度越高的概念，人为规定，用一常数K减去压痕深度h的数值来表示硬度的高低。并规定0.002mm为一个洛氏硬度单位，用符号HR表示，则洛氏硬度值为：
(14-1)
此值为无量纲数。测量时可直接在表盘上读出。表盘上有红、黑两种刻度，红色的30和黑色的0相重合。
使用金刚石圆锥压头时，常数K为0.2mm，硬度值由黑色表盘表示，此时
(14-2)
使用钢球(Φ=1.588mm)压头时，常数K为0.26mm，硬度值由红色表盘表示，此时
(14-3)
洛氏硬度计的压头共有5种，其中最常用的有两种：一种是顶角为120°的金刚石圆锥压头，用来测试高硬度的材料；另一种是直径为 的淬火钢球，用来测软材料的硬度。对于特别软的材料，有时还使用直径为 、 、 的钢球作压头，不过这几种比较少用。
为了扩大洛氏硬度的测量范围，可用不同的压头和不同的总载荷配成不同标度的洛氏硬度。洛氏硬度共有15种标度供选择，它们分别为：HRA，HRB，HRC，HRD，HRE，HRF，HRG，HRH，HRK，HRL，HRM，HRP，HRR，HRS，HRV。其中常用的几种标度列表如下：
表14-1 各种洛氏硬度值的符号及应用
|
标度符号 |
压头 |
总载荷
N(kg) |
表盘上
刻度颜色 |
常用硬度
值范围 |
应用举例 |
|
HRA |
金刚石圆锥 |
588.6(60) |
黑色 |
70~85 |
碳化物、硬质合金、表面淬火钢等 |
|
HRB |
1.588mm钢球 |
981(100) |
红色 |
25~100 |
软钢、退火钢、铜合金 |
|
HRC |
金刚石圆锥 |
1471.5(150) |
黑色 |
20~67 |
淬火钢、调质钢等 |
|
HRD |
金刚石圆锥 |
981(100) |
黑色 |
40~77 |
薄钢板、中等厚度的表面硬化工件 |
|
HRE |
3.175mm钢球 |
981(100) |
红色 |
70~100 |
铸铁、铝、镁合金、轴承合金 |
|
HRF |
1.588mm钢球 |
588.6(60) |
红色 |
40~100 |
薄板软钢、退火铜合金 |
|
HRG |
1.588mm钢球 |
1471.5(150) |
红色 |
31~94 |
磷青铜、铍青铜 |
|
HRH |
3.175mm钢球 |
588.6(60) |
红色 |
|
铝、锌、铅 |
二、洛氏硬度计的构造
洛氏硬度计种类很多，构造各不相同，但构造原理及主要部件都相同。图14-2表示了洛氏硬度计的机构构造原理，其他静力载荷测定法的硬度计的构造原理基本与此相同。图14-3为硬度计的外形图。
图14-2 洛氏硬度计机构示意图 图14-3 硬度计外形图
①- 压头 ②-载荷法码 ③--主杠杆 ④-测量杠杆 ①--读数百分表 ②--装压脑处
⑤-表盘 ⑥-缓冲装置 ⑦--载物台 ⑧-升降丝杠 ③-载物台 ④--升降丝杠手轮
⑤--加载手轮 ⑥--卸载手轮
14.2 布氏硬度测试法
一、布氏硬度的测量原理
选择一事实上的载荷P，把直径为D的淬火钢球压入试件表面并保持一定时间，然后卸去载荷，测量钢球在试样表面压出的压痕直径d，计算出压痕面积，算出载荷P与压痕面积的比值，这个比值所表示的硬度就是布氏硬度，用符号HB表示。布氏硬度的测量原理如图11-4所示。设压痕的深度为h，则压痕的球冠面积为：
图14-4 布氏硬度计试验原理示意图
(14-4)
式中：P——测试用的载荷(kg)；
D——压头钢球的直径(mm)；
d——压痕直径(mm)；
F——压痕面积(mm2)。
布氏硬度的单位为kg/mm2，这是目前各国文献中常用的单位，通常只给出数值而不写单位，如HB200，若要换算成国际单位MPa，需要将硬度值乘以9.81。
布氏硬度的压头钢球直径有Φ2.5mm，Φ5mm，Φ10mm三种，载荷有15.6kg、62.5kg、182.5kg、250kg、750kg、1000kg、3000kg七种。可根据材料的软硬不同选择配合使用。为了在不同直径的压头和不同载荷下进行测试时，同一种材料的布氏硬度值相同。压头的直径与载荷之间要满足相似原理。相似原理是指在均质材料中，只要压入角φ(即从压头圆心压痕两端的连线之间的夹角)不变，则不论压痕大小，金属的平均抗力相等。如图14-5所示。德国的迈耶尔(Mayer)通过试验得出重要经验关系。当d/D>0.1时，压痕直径d与载荷的关系为：
(14-5)
这个公式称为迈耶尔定律。戒a和n均为常数。他还得出如下的结论：当使用的压头直径不同时，指数n几乎与D无关，而常数a则随D值的增大而减小，且：
图14-5 不同直经的钢球压头产生在几何上相似的压头
(14-6)
对每种材料，A为常数，并与D无关。由上式得：
代入(14-5)，得
(14-7)
(14-8)
此式说明，在进行布氏硬度测试时，只要使P/D2为一常数，就可以使压入角φ保持不变，从而保持了几何形状相似的压痕。
所以在布氏硬度测量中只要满足P/D2为常数，则同一材料测得的布氏硬度值是相同的。不同材料测得的布氏硬度值也可以进行比较。P/D2的数值不是随便规定的，各种材料软硬相差很大。如果只规定一个P/D2的值，对于较硬的材料，压入角会太小；对于较软的材料，压入角又会很大。若压入角太小，压痕就小，测量误差就会很大。当入压角较大但小于90°时，压痕直径随压入深度增加有较大变化，有利于测量。但当压入角大小90°时，随压入深度的增加，压痕变化较小。为了提高测量精度，通常使0.25<d/D<0.5，与此对应的压入角29°<φ<60°，这样就需不同的材料使用不同的P/D2值。国家标准规定P/D2的比值为30、10、25三种。在测量中对较软的材料因塑性变形较大，施加载荷应小一些。
布氏硬度仪的试验规范列表表14-2中。
二、布氏硬度的测试步骤
布氏硬度计使用的步骤如下：
1．根据试件材料选择合适的压头和载荷。
2．加预载。
3．加主载并保持一定的时间。
4．卸载。
5．将试样取下，用带刻度的低倍放大镜测压痕直径d。
6．查《压痕直径与布氏硬度对照表》得到布氏硬度值。
表14-2 布氏硬度试验规范
|
金属类型 |
布氏硬度范围
HB |
试件厚度
mm |
载荷P与压头
直径D的关系 |
钢球直径
D,mm |
载荷P,kg |
载荷保持
时间，s |
|
黑色金属 |
140~150 |
6~3
4~3
<2 |
P=30D2 |
10
5.0
2.5 |
3000
750
187.5 |
10 |
|
<140 |
>6
6~3
<3 |
P=10D2 |
10
5.0
2.5 |
1000
250
62.5 |
10 |
|
有色金属 |
>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 |
布氏硬度的表示方法是若用Φ10mm钢球，在3000kg载荷下保持10s，测得的布氏硬度值表示为字母HB加上所测得的硬度值，例如HB400。在其他试验条件下，在HB后面要注明钢球直径、载荷大小及保载时间，例如：HB2.5/187.5/10=200表示用Φ2.5mm的钢球在187.5kg载荷下保持10s测得的布氏硬度为200。
布氏硬度测试中还应注意以下几个问题，即试验压痕直径的范围应为0.25D<d<0.6D，否则测量结果无效；由于压痕周围存在变形硬化现象(可达2~3倍的压痕直径)，所以要求相邻两个硬度点的距离≥4d，软材料≥6d，试件厚度不小于压痕深度的10倍，压痕离试件边缘的距离应不小于压痕直径。
三、布氏硬度的特点
布氏硬度试验的优点是其硬度代表性全面，因压痕面积较大，能反映较大范围内金属各组成相综合影响的平均性能，而不受个别组成相及微小不均匀度的影响。因此特别适用于测定灰铸铁、轴承合金和具有粗大晶粒的金属材料；试验数据稳定，数据重复性强，此外，布氏硬度值和抗拉强度σb间存在一定换算关系，见表14-3。
表14-3 布氏硬度与抗拉强度的关系
|
材料 |
硬度值 |
HB-σb近似换算关系 |
|
钢 |
125~175
>175 |
σb≈0.343HB×10MN/m2
σb≈0.362HB×10MN/m2 |
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铸铝合金 |
|
σb≈0.26HB×10MN/m2 |
|
退火黄铜、青铜 |
|
σb≈0.55HB×10MN/m2 |
|
冷加工后黄铜、青铜 |
|
σb≈0.40HB×10MN/m2 |
布氏硬度试验的缺点是其压头为淬火钢球。由于钢球本身的变形问题，致使不难试验太硬的材料。一般在HB450以上就不能使用；由地压痕较大，成品检验有困难；试验过程比洛氏硬度较为复杂，不能由硬度计上直接读数(需用带刻度的低倍放大镜测出压痕直径，然后通过查表得到布氏硬度值)。
11.3 维氏硬度测试法
为了避免钢球压头的永久变形，布氏硬度法只能用来测定硬度值小于HB450的材料，洛氏硬度法为了测定由软到硬的不同材料的硬度，采用了不同的压头和总载荷，有很多种标度，彼此间没有什么联系，也不能换算。为了实际应用中方便，取同一材料用不同标度测定，列出表格，只能供大致估算。为了从软到硬的不同材料有一个连续一致的硬度标度，制定了维氏硬度试验法。
一、维氏硬度的测量原理
维氏硬度的测量原理基本上和布氏硬度相同，所不同的是用金刚石正四棱锥压头。正四棱锥两对面的夹角为136°，底面为正方形，如图14-6所示。维氏硬度所用的载荷有1kg、3kg、5kg、10kg、20kg、30kg、50kg、100kg、120kg等，负载的选择主要取决于试件的厚度。
图14-6 维氏金刚石棱锥压头
在载荷P的作用下压头在试样表面压出一个底面为正方形的正四棱锥压痕。用显微镜测定方坑对角线长度d，维氏硬度值HV等于所用载荷与压痕面积的比值。压痕面积F为：
则：
(14-9)
式中：P——载荷；
d——压痕直径；
F——压痕面积。
从(14-9)式可知，当载荷P已知时，只要测得压痕对角线长度d，就可以求出维氏硬度值。通常是在测量d值后从《压印对角线与维氏硬度对照表》中查出相应的硬度值。
φ角选择136°是为了使维氏硬度得到一个成比例的并在较低硬度时与布氏硬度基本一致的硬度值。在布氏测试法台规定0.25<d/D<0.5，最理想的d/D值是0.375， ，φ=44°，与此相对应的金刚石正四棱锥的两以面间夹角就是180°-44°=136°。如图14-7所示。所以布氏硬度在HB300，它们间的差别增大，这是由于布氏测试法所用的钢球压头开始变形使压痕直径偏大所造成的。
图14-6 维氏硬度的测试原理
二、维氏硬度的测试
1．对试样的要求
要求试样经过抛光，试样硬度至少是压痕深度的10倍或者不小于压痕对角线的1.5倍，在满足这个条件的情况下尽可能选用较大载荷，可减少测量误差。
2．压痕对角线的测量
维氏硬度压痕对角线的长度是用附在硬度计上的显微测微器进行测量的。压痕对角线的测量精度可达10-3mm。应测出两条互相垂直的对角线的线度，取平均值作为压痕对角线的长度d。规定两条压痕对角线之差与较短对角线之比不大于2%。若材料各个方向上的硬度不均匀而使比值>2%者，需要在硬度值后面注明。
维氏硬度不存在在洛氏硬度标度无法统一的问题，也不存在布氏硬度测试时负荷与压头直径比例关系的约束和压头变形问题。只要满足布氏法中迈耶尔指数关系中n=2时，p=ad2，只要载荷不太小，硬度值与所用载荷无关，即不同载荷下的维氏硬度值可以驻进行比较。
维氏硬度值测量精确可靠，在材料科学研究中被广泛应用。但是维氏硬度测量过程中需要测量对角线的长度，然后通过计算或查表才能得到硬度值。测量过程繁琐，工作效率低。在测量过程中，采用计算机控制测量过程，采集和处理数据，可能克服上述缺点并大大提高工作效率。
14.4 显微硬度测试法
一、显微硬度的测量原理
显微硬度的测量原理与维氏硬度一样，也是用压痕单位面积上所承受的载荷来表示的。只是试样需要抛光腐蚀制成金相显微试样，以便测量显微组织中各相的硬度。显微硬度一般用HM表示。
显微硬度测试用的压头有两种：一种是和维氏硬度压头一样的两面之间的夹角为136°的金刚石正四棱锥压头，如图14-8所示。这种显微硬度的计算公式为：
图14-8维氏金刚石棱锥压头 图14-9努氏（Knoop）金刚石棱锥压头
(14-10)
式中：P——载荷(g)；
d——压痕对角线长度(μm)。
显微硬度值与维氏硬度完全一致，计算公式差别只是测量时用的载荷和压痕对角线的单位不同造成的。
图14-9中还表示了另一种显微硬度压头。这种压头叫克努普(Knoop)金刚石压头。它的压痕长对角线与短对角线的长度之比为7.11。克努普显微硬度值为：
(14-11)
式中：P——载荷(g)；
L——压痕对角线长度(μm)。
显微硬度如用kg/mm2为显微硬度的单位时，可以将单位省去，例如HM300，表示其显微硬度为300kg/mm2。
二、显微硬度计的构造及其应用
显微硬度计是由显微镜和硬度计两部分组成。显微镜用来观察显微组织，确定测试部位，测定压痕对角线的长度；硬度测试装置则是将一事实上的载荷加在一事实上的压并没有上，压入所确定的测试部位。
现以ПMT-3型的显微硬度计为例说明其构造及其使用方法。
1．构造
ПMT-3型的显微硬度计主要由支架部分、截物台、负荷机构、显微镜系统等四部分组成，如图14-10。
① 支架部分。主要由底座和主柱组成。借助调节螺母可升降托架，使显微镜整体上下移动。
② 截物台。由三个螺钉固定在底座上，其中两个螺钉控制其前后左右移动。载物台移动的最大行程为10mm，旋转手柄可使载物台作180°回转运动，使显微镜观察到的组织，恰好能转到显微硬度计压头下面，然后加载，得一个显微硬度压痕。当载物台回转到原来位置以后，压痕对角线长度可由显微镜测量出来。载物台不需要转动时可用固定螺钉使载物台固定。
③ 加载荷重机构。是显微硬度计的重要组成部分，如图14-11所示。
图14-11 ПMT-3型的显微硬度计的载荷重机构
荷重机构安装在臂架上，与物镜相对称。立柱1由两片弹簧(3与4)支持着，在它的下端装入压头8，荷重砝码套在立柱中部，立柱平时由托板托住。加载荷时，借手柄7逆时针方向旋转而使托盘离开，立柱随之下降，载荷就通过压头加到磨面上。
④ 显微镜部分。由镜筒物镜和目镜组、机械调节及照明装置组成。显微镜用粗调和微调旋钮调节焦距，在微调旋钮上刻有刻度，指示显微镜上下调节的距离，每小格相当于0.002mm。镜筒上装有倾斜的观察镜筒及15×的螺旋式测微目镜。在显微摄影时可换用直射摄影镜筒和15×的摄影目镜。照相暗盒就固定在直射镜筒上。
显微镜配有两个物镜(F6.16及F23.2)和一个目镜(15×)。显微放大倍数为485×及130×，能在明场和暗场下观察。其照明方式的改变通过旋转手柄来实现。
螺旋式测微器用来测量压痕对角线的长度。测微器上有100个小格。
照明光源为6V15W低压白炽灯。
国产HX-200型显微硬度计与ПMT-3型结构相似。
2．显微硬度的测试方法
① 试验前的准备工作包括：
安装物镜、螺旋测微目镜及压头；检查并调整压痕中心与视场中心重合；载荷机构的调整等。
② 试样经加载，卸载，转动载物台，在目镜中可观察到显微硬度的压痕。
③ 用螺旋测微目镜测定压痕对角线的长度
测量时，首先移动工作台，使试样压痕的左面两边与十字交叉线的右半边重合，记下测微鼓轮的指示九；然后转动鼓轮使十字交叉线的左半边与压痕的右面两边也重合，再记下测微鼓轮上的读数，两数之差为压痕对角线相对应的格数。然后再乘以鼓轮刻度值(放大485×时每格为0.3μm)即得到压痕对角线长度。
一般是测两条相互垂直的对角线的长度再取平均值作为压痕对角线的长度d。
由压痕对角线的长度，通过公式(11-10)计算或查压痕对角线与显微硬度对照表得到显微硬度值。
三、影响显微硬度值的因素
1．试样制备
显微试样制备过程中，会因磨削使表面塑性变形引起加工硬化，这会对显微硬度值有很大的影响(有时误差可达50%)，低载荷下更为明显。因此试样在制备过程中，要尽量减少表面变形层，特别对软材料，最好采用电解抛光。
2．载荷
根据试样的实际情况，选择适当的荷载，在试样条件允许的情况下，尽量选择较大的载荷，以得到尽可能大的压痕。由于弹性变形的回复是材料的一种性能，对于任意大小的压痕其弹性回复量几乎一样，压痕越小弹性回复量占的比例就越大，显微硬度值也就越高。在同一试样中，选用不同的载荷测试得出的结果不完全相同，一般载荷越小，硬度值波动越大。所以对于同一试验最好始终选相同的载荷，以减少载荷变化对硬度值的影响。布科提出了下列四类加载范围，可供参考：
铝合金：1~5g
软铁镍：5~15g
硬钢：15~30g
碳化物：30~120g
3．加载速度和保载时间
加载速度过快，会使压痕加大，显微硬度值降低。一般载荷越小，加载速度的影响就越大，当载荷小于100g时，加载速度应为1~20μm/s。加载后保持载荷3~5s即可卸载进行测量。
14.5 使用硬度计应注意的事项
除了各种硬度计使用时特殊注意事项外，还有一些共同的应注意的问题，现列举如下：
1．硬度计本身会产生两种误差：一是其零件的变形、移动造成的误差；二是硬度参数超出规定标准所造成的误差。对第二种误差，在测量前需用标准块对硬度计进行校准。对洛氏硬度计校正结果，差值在±1之内合格。差值在±2之内的稳定数值，可以给出修正值。差值在±2范围之外时则必需对硬度计进行校正维修或换其他硬度测试法测定。
洛氏硬度各标度有一事实上的适用范围，要根据规定正确选用。例如，硬度高于HRB100时，应采用HRC标度进行测试；硬度低于HRC20时应用HRB标度进行测试。因为超出其规定的测试范围时，硬度计的精确度及灵敏度较差，硬度值不准确，不宜使用。
其他硬度测试法也都规定有相应的校正标准。
校准硬度计用的标准块不能两面使用，因标准面与背面硬度不一定一致。一般规定标准块自标定日起一年内有效。
2．在更换压头或砧座时，注意接触部位要擦干净。换好后，要用一定硬度的钢样测试几次，直到连续两次所得硬度值相同为止。目的是使压头或砧座与试验机接触部分压紧，接触良好，以免影响试验结果的准确性。
3．硬度计调整后，开始测量硬度时，第一个测试点不用。因怕试样与砧座接触不好，测得的值不准确。特第一点测试完，硬度计处于正常运行机制状态后再对试样进行正式测试，记录测得的硬度值。
4．在试件允许的情况下，一般选不同部位至少测试三个硬度值，取平均值，取平均值作为试件的硬度值。
5．对形状复杂的试件要采用相应形状的垫块，固定后方可测试。对圆试件一般要放在V形槽中测试。
6．加载前要检查加载手柄是否放在卸载位，加载时动作要轻稳，不要用力太猛。加载完毕加载手柄应放在卸载位置，以免仪器长期处于负荷状态，发生塑性变形，影响测量精确度。
