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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,这里重点介绍蕞常用的洛氏、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
洛氏硬度测量法是蕞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。

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:
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K0.2mm,硬度值由黑色表盘表示,此时
使用钢球(Φ=1.588mm)压头时,常数K0.26mm,硬度值由红色表盘表示,此时
洛氏硬度计的压头共有5种,其中蕞常用的有两种: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:HRAHRBHRCHRDHREHRFHRGHRHHRKHRLHRMHRPHRRHRSHRV。其中常用的几种标度列表如下:
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。

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:
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Φ2.5mmΦ5mmΦ10mm三种,载荷有15.6kg62.5kg182.5kg250kg750kg1000kg3000kg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:
这个公式称为迈耶尔定律。戒an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,
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<0.5,与此对应的压入角29°<&phi;<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301025三种。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。
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

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

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

125~175 >175

σb≈0.343HB×10MN/m2 σb≈0.362HB×10MN/m2

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1kg3kg5kg10kg20kg30kg50kg100kg120kg等,负载的选择主要取决于试件的厚度。
 
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:
式中:P——载荷;
      d——
压痕直径;
      F——
压痕面积。
(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<0.5,蕞理想的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。
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
14-8维氏金刚石棱锥压头           14-9努氏(Knoop)金刚石棱锥压头 
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。
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:
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。

 
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