第十章 硬度计量

第十章硬度计量第一节基本概念第二节硬度试验法第三节硬度计结构1颜幸尧cjlu_yan@163.com第一节基本概念一、硬度的概念硬度是指物体的软硬程度,是固体材料的一种机械特性。硬度是固体材料抵抗弹性形变、塑性形变和破坏的能力。硬度值的获得不仅与材料的弹性极限、弹性模量、屈服极限、塑性、脆性以及材料的其他许多性质都有关系,而且与人为规定的方法和条件有关。2为了确定材料的硬度所采用的试验方法称为硬度试验法。硬度试验方法按施加负荷的情况可以分为静负荷试验法和动负荷试验法两大类。

硬度实验第一节基本概念3①静负荷试验法的原理是：

在一定的静负荷作用下,把规定材料与形状的压头压入被试材料的表面,计量压痕的深度或大小来获得硬度值。②动负荷试验法的原理是:

在一定的动负荷作用下,用规定材料与形状的冲头冲击被试材料,通过计量冲头回跳高度等参数来获得硬度值。不同的实验方法，硬度表示方式不同。第一节基本概念4第一节基本概念动负荷试验法：超声波硬度、肖氏硬度、捶击式布氏硬度静负荷试验法：布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、显微硬度硬度试验法5第一节基本概念另外，许多硬度试验法是在20世纪初提出并建立的，基本上都涉及到负荷的施加，当时广泛采用的计量单位是工程单位制，即力的单位是公斤力（kgf）。现在我国力的法定计量单位是牛顿(N)；由于历史和习惯方面的原因，在有些场合（像硬度试验负荷)还使用一些非法定计量单位，如公斤力（kgf）、吨力（tf）等，它们与牛顿(N)的换算关系为:

1kgf=9.80665N1N=0.10197kgf

ltf=9806.65N1kN=101.97kd=0.10197tf6第一节基本概念

(1)试验后试件不破坏，甚至不受损伤。因为留在试件表面上的试验痕迹在大多数情况下不影响试件的使用。

(2)应用范围广：如对成品、半成品、毛坯和原材料等都可进行硬度试验．对于不能用刀具切割成试样的工件(如工具、天平刀子和刀承等)测定硬度是唯一可行的试验方法。

(3)测定方法简单、迅速、硬度计操作简便易掌握，工作效率高，每小时可进行成百次测定。

(4)对于重要零件可以进行百分之百的试验，这是其他机械性能试验无法相比的。硬度试验的优点7第二节硬度试验法一、布氏硬度试验法

用载荷F把直径为D的淬火钢球压人试件表面，并保持一定时间，而后卸除载荷，根据测量钢球在试样表面上所压出的压痕直径d，先计算出压痕球面积S，然后再计算出单位面积所受的力（F/S值），用此值表示试件的硬度值，即为布氏硬度。8第二节硬度试验法9第二节硬度试验法10第二节硬度试验法11第二节硬度试验法12第二节硬度试验法布式硬度计13压头为淬火钢球，HBS；压头为硬质合金球，HBWHBS或HBW之前的数字表示硬度值，其后的数字依次为压头直径、压力和保持时间。例:150HBSl0／3000/30表示用10mm直径淬火钢球，加压3000kgf，保持30s，测得的布氏硬度值为150；500HBW5／750，表示用硬质合金球，压头直轻5mm，加压750kgf，保持10-15秒(保持时间为10-15时，可不加标注)，测得布氏硬度值为500。符号表示第二节硬度试验法14第二节硬度试验法15第二节硬度试验法试验力保持时间，对黑色金属为10-15s，有色金属为30-50s；布氏硬度值小于HBS（W）35以下时为60-65s。布氏硬度试验法最常用的标准条件是：钢球直径为10mm，负荷为3000kgf。16第二节硬度试验法17第二节硬度试验法18第二节硬度试验法优点：压痕面积大，能反映出较大范围内材料各组成相的综合平均性能，不受个别相和微区不均匀性的影响。布氏硬度分散性小，重复性好。缺点：由于压痕面积大，不适于成品件；测硬度不同的材料需要更换压头直径和载荷；压痕直径测量麻烦。适合于测定粗大晶粒或粗大组成相的材料的硬度，灰铸铁和轴承合金等。19200HBSl0／3000150HBW5／125/20第二节硬度试验法试述下列标准符号的含义20第二节硬度试验法这种试验法是用金刚石圆锥体（锥角为120°，顶端球面半径为0.2mm)或一定直径的钢球作压头，在预负荷P0（10kgf）和总负荷P先后作用下压入试样，以在总负荷作用后．卸除主负荷p1而保留预负荷时的压入深度h1与在预负荷作用下的压入深度h0之差h来表示洛氏硬度。深度差大则硬度值低，反之则硬度值高。每压入2μm为一个洛氏硬度值。二、洛氏硬度试验法21第二节硬度试验法原理：洛氏硬度是直接测量压痕深度，压痕愈浅表示材料愈硬。如右图所示22第二节硬度试验法HR——洛氏硬度符号；K——常数，用钢球压头时为130；用金刚石压头时为100；h1——在已施加总负荷P，卸除主负荷P1，但仍保留预负荷P0时，压头压入试样表面的深度；h0——在预负荷P0作用下，压头压入试样表面的深度：c——规定为0.002mm。23第二节硬度试验法洛式硬度计24第二节硬度试验法洛氏硬度规定以符号HR表示，并注意所用标尺A、B、C等字样，如HRA、HRB、HRC等。50HRC即用C标尺测定的洛氏硬度值为50。25第二节硬度试验法26第二节硬度试验法常用压头：顶角为1200的金刚石圆锥体；直径为Φ1.588mm、3.175mm的淬火钢球压头。

实验程序：先加10kg预压力，再加主压力。预压力+主压力=总压力，总压力视材料的软硬而定；“不同压头,不同的总压力”组成不同的洛氏硬度标尺。

常用标尺：常用A、B和C三种标尺，C标尺最普遍。用这三种标尺的硬度记为HRA、HRB和HRC。27第二节硬度试验法洛氏硬度的特点优点：①硬度值可从硬度机的表盘上直接读出，简便迅速,工效高；②对试件表面造成的损伤较小，可用于成品零件的质量检验；③加有预载荷，可以消除表面轻微的不平度对试验结果的影响。缺点:①不同标尺的洛氏硬度值无法相互比较。②由于压痕小，所以洛氏硬度对材料组织不均匀性很敏感，测试结果比较分散，重复性差.28第二节硬度试验法表面洛氏硬度表面洛氏硬度试验法的原理与洛氏硬度试验法相同。不同的是预负荷P0为30N；总负荷P分别为150、300、450N；每压入1μm为一个表面洛氏硬度单位。表面洛氏硬度规定以符号HR表示，但必须注明所用标尺15N、30N、45N、15T、30T、45T等字样。如HR15N、HR30N、HR45N、HR15T、HR30T、HR45T等。表面洛氏硬度值符号举例：50HR45N即用450N的总负荷和金刚石圆锥体压头测定的表面洛氏硬度值为50。29第二节硬度试验法HR——表面洛氏硬度符号；K——常数，为100；h1——在已施加总负荷P，卸除主负荷P1但仍保留预负荷P0时，压头压入试样表面的深度；h0——在预负荷P0作用下，压头压入试样表面的深度：c——规定为0.001mm。30第二节硬度试验法

维氏硬度试验主要用于材料研究和科学试验方面小负荷维氏硬度试验主要用于测试小型精密零件的硬度，表面硬化层硬度和有效硬化层深度，镀层的表面硬度，薄片材料和细线材的硬度，刀刃附近的硬度，牙科材料的硬度等，由于试验力很小，压痕也很小，试样外观和使用性能都可以不受影响。

三、维氏硬度试验法31第二节硬度试验法维氏硬度计32第二节硬度试验法原理与方法基本上与布氏硬度的相同，根据单位压痕表面积上所承受的压力来定义硬度值。但测定维氏硬度所用的压头为金刚石制成的四方角锥体，两相对面间的夹角为1360，所加的载荷较小。33第二节硬度试验法压头压入试件表面，保持一定的时间后卸除压力，试件表面上留下压痕。已知载荷F，测得压痕两对角线长度后取平均值d，计算维氏硬度值，HV=1.8544F/d2，单位一般不标注。

34第二节硬度试验法载荷为5kgf,10kgf，20kgf，30kgf，50kgf和100kgf等6种。与布氏硬度相同，例：640HV30／20，最前面数字为硬度值，后面数字依次为载荷/保持时间。表示方法35第二节硬度试验法维氏硬度测试采用了四方角锥体压头，各种载荷作用下所得的压痕几何相似，载荷大小任意选择，所得硬度值均相同，不受布氏法那种载荷F和压头D的规定条件的约束。测量范围较宽，软硬材料都可测。压痕为一轮廓清晰的正方形，对角线长度易于精确测量，故精度较布氏法的高。材料的硬度小于450HV时，维氏硬度值与布氏硬度值大致相同。36第二节硬度试验法布、洛及维氏三种硬度试验只能测得组织的平均硬度值测定极小范围内的硬度，需用显微硬度试验显微硬度试验一般是指测试载荷小于10N力的硬度试验，常用的有显微维氏硬度和努氏硬度。

显微维氏硬度37第二节硬度试验法显微硬度试验法具有多种形式的金刚石压头，这是与维氏硬度试验有较大的区别。金刚石正四角锥体努普压头（努氏硬度）38第二节硬度试验法①金刚石正四角锥体：两棱面夹角为136°，与维氏硬度试验所用的压头形状相同，其硬度值计算公式如下：金刚石正四角锥体这种压头是最常用的，现代采用的显微硬度试验法中有90％的压头都是这种形式的。主要用于测定金属材料、小零件、薄试样以及镀层硬度。39第二节硬度试验法显微维氏硬度试验实质上就是小载荷的维氏硬度试验，其测试原理和维氏硬度试验相同，仍用HV表示。如340HV0.1表示用0.1kgf的载荷测得的维氏显微硬度为340，340HV0.05则是表示用0.05kgf的载荷测得的硬度为340.表示方法测试载荷小，载荷与压痕之间的关系不一定像维氏硬度试验符合几何相似原理，必须注明载荷大小，以便比较。40第二节硬度试验法努普硬度试验法是用努普压头，在一定的负荷作用下压入试件，经规定的负荷保持时间后，卸除负荷，以所用的负荷除以压痕的投影面积所得的商数表示硬度值。其计算公式如下：努氏硬度41第二节硬度试验法努氏硬度是维氏硬度的发展。长棱形金刚石压头，两长棱夹角为172.50，两短棱夹角为1300。压痕是长短对角线比值为7.11的菱形压痕。努普压头42第二节硬度试验法努普硬度表示方法：符号HK应附以相应的指数，注明试验负荷的数值。例如：300HK0.1即表示在0.11kgf力的负荷下，在规定的负荷保持时间内，所测得的硬度值为300。这种压头主要用于测定较硬较脆的试样，它可以使所得压痕的对角线增长。在同样负荷下正四棱角锥体压头和努普压头所得的压痕深度，后者要比前者小得多，约为前者的80％；而压痕长度约为前者的三倍。所以此种压头宜于测定薄镀层的硬度；或是脆性材料的硬度，如玻璃、玛瑙、炭化物等。43第二节硬度试验法特点：（1）载荷小，压痕极小，几乎不损坏试件，便于测定微小区域内的硬度值。（2）灵敏度高。显微硬度试验特点及应用44第二节硬度试验法原理：金刚石冲头从一定高度h1自由下落到试件表面，因试件的弹性变形使其回跳到某高度h2，用两个高度的比值计算肖氏硬度值:HS=Kh2/h1肖氏硬度HS—肖式硬度值K—系数45第二节硬度试验法C型肖氏硬度计K=D型肖氏硬度计K=1401046.546第二节硬度试验法C型肖氏硬度计的刻度原理：对于淬火的高碳钢试样，在C型肖氏硬度计上，以高度h1=254mm时，落下的冲头（顶端球面半径为1.25mm，质量为2.36g的回跳高h2=165.1mm时，定为100HS；回跳高度h2=0时定为0HS，两者高度差为165.1mm，然后进行100等分刻度。47第二节硬度试验法

D型肖氏硬度计刻度原理：对焠火的高碳钢试