什么叫做硬度計

硬度介紹

       材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力稱為硬度。固體對外界物體入侵的局部抵抗能力，是比較各種材料軟硬的指標。由于規(guī)定了不同的測試方法，所以有不同的硬度標準。各種硬度標準的力學含義不同，相互不能直接換算，但可通過試驗加以對比。早在1822年，F(xiàn)riedrich mohs提出用10種礦物來衡量世界上zui硬的和zui軟的物體，這是所謂的摩氏硬度計。硬度試驗是機械性能試驗中zui簡單易行的一種試驗方法。為了能用硬度試驗代替某些機械性能試驗，生產(chǎn)上需要一個比較準確的硬度和強度的換算關系。

       材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力稱為硬度， 固體對外界物體入侵的局部抵抗能力，是比較各種材料軟硬的指標。由于規(guī)定了不同的測試方法，所以有不同的硬度標準。各種硬度標準的力學含義不同，相互不能直接換算，但可通過試驗加以對比。硬度分為：①劃痕硬度。主要用于比較不同礦物的軟硬程度，方法是選一根一端硬一端軟的棒，將被測材料沿棒劃過，根據(jù)出現(xiàn)劃痕的位置確定被測材料的軟硬。定性地說，硬物體劃出的劃痕長，軟物體劃出的劃痕短。②壓入硬度。主要用于金屬材料，方法是用一定的載荷將規(guī)定的壓頭壓入被測材料，以材料表面局部塑性變形的大小比較被測材料的軟硬。由于壓頭、載荷以及載荷持續(xù)時間的不同，壓入硬度有多種，主要是布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度和顯微硬度等幾種。③回跳硬度。主要用于金屬材料，方法是使一特制的小錘從一定高度自由下落沖擊被測材料的試樣，并以試樣在沖擊過程中儲存（繼而釋放）應變能的多少（通過小錘的回跳高度測定）確定材料的硬度。

早在1822年，F(xiàn)riedrich mohs提出用10種礦物來衡量世界上zui硬的和zui軟的物體，這是所謂的摩氏硬度計。按照他們的軟硬程度分為十級：

1）滑石 2）石膏 3）方解石 4）螢石 5）磷灰石 6）正長石 7）石英8）黃玉 9）剛玉 10）金剛石

各級之間硬度的差異不是均等的，等級之間只表示硬度的相對大小。

試驗鋼鐵硬度的zui普通方法是用銼刀在工件邊緣上銼擦,由其表面所呈現(xiàn)的擦痕深淺以判定其硬度的高低。這種方法稱為銼試法這種方法不太科學。用硬度試驗機來試驗比較準確,是現(xiàn)代試驗硬度常用的方法。常用的硬度測定方法有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度等測試方法。

硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一項重要的性能指標，它既可理解為是材料抵抗彈性變形、塑性變形或破壞的能力，也可表述為材料抵抗殘余變形和反破壞的能力。硬度不是一個簡單的物理概念，而是材料彈性、塑性、強度和韌性等力學性能的綜合指標。

硬度區(qū)別

1、洛氏硬度

是以壓痕塑性變形深度來確定硬度值指標。以0.002毫米作為一個硬度單位。當HB>450或者試樣過小時，不能采用布氏硬度試驗而改用洛氏硬度計量。它是用一個頂角120°的金剛石圓錐體或直徑為1.59、3.18mm的鋼球，在一定載荷下壓入被測材料表面，由壓痕的深度求出材料的硬度。根據(jù)試驗材料硬度的不同，分三種不同的標度來表示： 　　

HRA：是采用60kg載荷和鉆石錐壓入器求得的硬度，用于硬度*的材料(如硬質合金等)。 　　

HRB：是采用100kg載荷和直徑1.58mm淬硬的鋼球，求得的硬度，用于硬度較低的材料(如退火鋼、鑄鐵等)。 　　

HRC：是采用150kg載荷和鉆石錐壓入器求得的硬度，用于硬度很高的材料(如淬火鋼等)。

2、布氏硬度

布氏硬度(HB)一般用于材料較軟的時候，如有色金屬、熱處理之前或退火后的鋼鐵。洛氏硬度(HRC)一般用于硬度較高的材料，如熱處理后的硬度等等。布氏硬度(HB)是以一定大小的試驗載荷，將一定直徑的淬硬鋼球或硬質合金球壓入被測金屬表面，保持規(guī)定時間，然后卸荷，測量被測表面壓痕直徑。布氏硬度值是載荷除以壓痕球形表面積所得的商。一般為：以一定的載荷將一定大小的淬硬鋼球壓入材料表面，保持一段時間，去載后，負荷與其壓痕面積之比值，即為布氏硬度值(HB)，單位為公斤力/mm2 (N/mm2)。 　　測試載荷與測試鋼球的直徑需根據(jù)材料的實際性能再確定。

3、維氏硬度

維氏硬度試驗方法是英國史密斯（R.L.Smith）和塞德蘭德（C.E.Sandland）于1925年提出的。英國的維克斯—阿姆斯特朗（Vickers-Armstrong）公司試制了*臺以此方法進行試驗的硬度計。和布氏、洛氏硬度試驗相比，維氏硬度試驗測量范圍較寬，從較軟材料到超硬材料，幾乎涵蓋各種材料。

4、里氏硬度

里氏硬度是以ＨＬ表示，里氏硬度測試技術是由瑞士狄爾馬，里伯博士發(fā)明的，它是用一定質量的裝有碳化鎢球頭的沖擊體，在一定力的作用下沖擊試件表面，然后反彈。由于材料硬度不同，撞擊后的反彈速度也不同。在沖擊裝置上安裝有永磁材料，當沖擊體上下運動時，其外圍線圈便感應出與速度成正比的電磁信號，再通過電子線路轉換成里氏硬度值。

5、肖氏硬度（也稱之為邵爾、邵氏硬度）

簡稱HS。表示材料硬度的一種標準。由英國人肖爾(Albert F.Shore)首先提出。應用彈性回跳法將撞銷從一定高度落到所試材料的表面上而發(fā)生回跳。撞銷是一只具有的小錐，上常鑲有金剛鉆。測試數(shù)值為1000x撞銷返回速度/撞銷初始速度（即為碰撞前后的速度比乘以1000）。

6、巴氏硬度

巴柯爾(Barcol)硬度(簡稱巴氏硬度), zui早由美國 Barber-Colman公司提出，是近代上廣泛采用的一種硬度門類，　一定形狀的硬鋼壓針，在標準彈簧試驗力作用下，壓入試樣表面，用壓針的壓入深度確定材料硬度，定義每壓入0.0076mm為一個巴氏硬度單位。巴氏硬度單位表示為HBa。

7、努氏硬度

努氏硬度是作為數(shù)值而測得的硬度，主要在加工方面使用該數(shù)值。一般來說，金剛石的努氏硬度為7000~8000千克/平方毫米

8、韋氏硬度

定形狀的硬鋼壓針，在標準彈簧試驗力作用下壓入試樣表面，用壓針的壓入深度確定材料硬度，定義0.01mm的壓入深度為一個韋氏硬度單位。韋氏硬度單位表示為HW。

9、水的硬度硬水軟水的區(qū)分在于所含礦物質鈣鎂的含量來劃分的，每升中所含有100mg以下的為軟水，含有量超過200mg的屬于硬水。

奶粉沖泡中的使用

軟水因為硬度低對嬰兒身體負擔較輕，作為沖泡奶粉的用水被人們所看好。奶粉因為本身含有蛋白質和礦物等營養(yǎng)成分，加上高硬度的硬水的沖泡會加重對寶寶身體的負擔。嬰兒的內(nèi)臟還未發(fā)育*，礦物成分過量攝入可能會引起消化不良，所以礦物成分含量較低的軟水更適合沖泡奶粉。硬度種類 

1. HRA:(洛氏A)用于量測熱處理硬質鋼材、氮化物、滲碳冶煉物、軸承鋼、工具鋼及其它軟硬材質的硬度測試。

2. HK:(Knoop 努氏)用于量測較軟材質的鋼及非鐵材料之硬度。

3. HRC:(Rockwell C洛氏)用于量測熱處理鋼材、氮化物、滲碳冶煉物、軸承鋼、工具鋼等。

4. HRB:(Rockwell B洛氏)用于量測較軟材質的鋼及非鐵材料之硬度。

5. HR30T:(Rockwell 30T洛氏) 用于量測較軟材質的鋼及非鐵材料之硬度。

6. HB5:(Brinell 布氏5)用于量測鋁、軟質鋁合金、鑄鐵、銅、黃銅等。

7. HB30:(Brinell 布氏30)用于熱處理鋼、退火深冷處理鋼材、沖拉材料鋼、深沖鋼帶料等。

8. HV:(Vickers維氏)適用于量測各類材料。

9. R:(Tensile module拉伸模數(shù) N/mm2)用于熱處理鋼、退火深冷處理鋼材、沖拉材料鋼、深沖鋼帶料等。

10. HR15N:(Rockwell 洛氏HR15N)用于量測熱處理硬質鋼材、氮化物、滲碳冶煉物、軸承鋼、工具鋼等。硬度測試方法 

 一、實驗內(nèi)容

1、金屬布氏硬度實驗。

2、金屬洛氏硬度實驗。

3、金屬維氏硬度實驗和顯微維氏硬度實驗。

二、實驗目的及要求

該實驗的目的是使學生熟悉金屬布氏、洛氏、維氏硬度計的使用方法，鞏固硬度試驗方法的理論知識，掌握各種硬度計的結構原理、操作方法及注意事項。要求學生具有踏實的理論知識，同時也具有嚴謹、一絲不茍的作風。

三、實驗條件及要求

（一）實驗條件

布氏硬度計、洛氏硬度計、維氏硬度計和顯維硬度計，讀數(shù)放大鏡，標準硬度塊。推薦試樣用材：灰鑄鐵、硬質合金、經(jīng)滲氮后的 38CrMoAl、經(jīng)滲碳淬火后的20 鋼、經(jīng)調質處理的45 鋼、淬火低溫回火的T12 鋼、黃銅。

（二）要求

制備試樣過程中不得使試樣因冷、熱加工影響試驗面原來的硬度。試驗面應為光滑的平面，不應有氧化皮及污物，試驗面的粗糙度因試驗方法不同而不同：測布氏硬度、洛氏硬度時，Ra≤0.8μm；測維氏硬度時，Ra≤0.2μm；測小負荷維氏硬度和顯維硬度時，Ra≤0.1μm、如果測定相的硬度時，試驗面應進行拋光和腐蝕制成金相試樣。試驗時，應保證試驗力垂直作用于試驗面上，保證試驗面不產(chǎn)生變形、撓曲和振動。試驗應在10～35℃溫度范圍內(nèi)進行。不同硬度試驗對試樣及試驗操作尚有具體要求。

四、實驗相關知識點

1、硬度試驗原理。

2、對試樣的要求。

3、硬度試驗方法的選擇。

4、各種硬度計的結構原理、操作方法及注意事項。

5、試驗數(shù)據(jù)的獲得。

6、不同硬度試驗方法的關系。

五、實驗實施步驟

（一）金屬布氏硬度試驗

金屬布氏硬度值是單位壓痕表面積所承受的外力。

1、試驗規(guī)范的選擇

布氏硬度試驗時應根據(jù)測試材料的硬度和試樣厚度選擇試驗規(guī)范，即壓頭材料與直徑、F/D2 值、試驗力F 及試驗力保持時間t。

1）壓頭材料與直徑的選擇 壓頭有淬火鋼球和硬質合金球兩種。淬火鋼球適用于測量450HBS 以下材料（如熱軋或正火、退火鋼材，灰鑄鐵，有色金屬及其合金等）的硬度，硬質合金壓頭適用于測量450HBS 以上材料（如調質鋼、淬火鋼）的硬度。球體直徑D 的選擇按GB231-2003《金屬布氏硬度試驗方法》有五種，即10mm、5mm、2.5mm、2mm 和1mm。壓頭直徑可根據(jù)試樣厚度選擇，見壓頭直徑、壓痕平均直徑與試樣zui小厚度關系表。選擇壓頭直徑時，在試樣厚度允許的條件下盡量選用10mm 球體作壓頭，以便得到較大的壓痕，使所測的硬度值具有代表性和重復性，從而更充分地反映出金屬的平均硬度。

2）F/D2、試驗力F 及試驗力的選擇 F/D2 比值有七種：30、15、10、5、2.5、1.25和1，其值主要根據(jù)試驗材料的種類及其硬度范圍來選擇。球體直徑D 和F/D2 比值確定后，試驗力F 也就確定了。試驗須保證壓痕直徑d 在（0.24～0.6）D 范圍內(nèi)，試樣厚度為壓痕深度10 倍以上。

3）試驗力保持時間t 的選擇 試驗力保持時間t 主要根據(jù)試樣材料的硬度來選擇。黑色金屬：t＝10～15s；有色金屬：t＝（30±2）s；<35HBS 的材料：t＝（60±2）s。

2、布氏硬度試驗過程

1）試驗前，應使用與試樣硬度相近的二等標準布氏硬度塊對硬度計進行校對，即在硬度塊上不同部位測試五個點的硬度，取其平均值，其值不超過標準硬度塊硬度值的±3％方可進行試驗，否則應對硬度計進行調整、修理。

2）接通電源，打開電源開關。將試樣安放在試驗機工作臺上，轉動手輪使工作臺慢慢上升，使試樣與壓頭緊密接觸，直至手輪與螺母產(chǎn)生相對滑動。同時應保證試驗過程中試驗力作用方向與試驗面垂直，試樣不發(fā)生傾斜、移動、振動。啟動按鈕開關，在施力指示燈亮的同時迅速擰緊壓緊螺釘，使圓盤隨曲柄一起回轉，直至自動反向轉動為止，施力指示燈熄滅。從施力指示燈亮到熄滅的時間為試驗力保持時間，轉動手輪取下試樣。

3）用讀數(shù)顯微鏡在兩個互相垂直的方向測量出試樣表面的壓痕直徑d1 。

4）重復以上操作，至少測三個點，取壓痕直徑的算術平均值作為壓痕直徑d。

5）根據(jù)壓痕直徑d 計算或查表求得布氏硬度值。測量布氏硬度時，應保證：試樣厚度至少為壓痕深度的10 倍，試驗后支撐面應無可見變形痕跡；壓痕中心至試樣邊緣的距離應不小于壓痕平均直徑的2.5 倍；兩相鄰壓痕中心距離不小于壓痕平均直徑的4 倍；當試樣硬度小于35HBS 時，上述距離分別為壓痕平均直徑的3 倍和6 倍。

（二）金屬洛氏硬度試驗

1、金屬洛氏硬度試驗方法

金屬洛氏硬度試驗常用的三種標尺HRA、HRB、HRC 的壓頭有兩種：頂角為120º的金剛石圓錐體和Ф1.588mm（1/16″）的淬火鋼球。所施加的外力有兩類：初試驗力（98.1N）和主試驗力。初試驗力是為了使壓頭與試驗表面緊密接觸，避免因試樣表面不平整而影響試驗結果的準確性，主試驗力使試樣表面產(chǎn)生所需壓痕。試驗時先施加初試驗力，然后施加主試

驗力。卸除主試驗力后，將會在試樣表面上留下主試驗力引起的塑性變形而產(chǎn)生的壓痕。如壓痕深度為h，則洛氏硬度值為：HR=k-(h/0.002)=k-e, k 值因壓頭不同而異：金剛石圓錐體壓頭時，k＝100；淬火鋼球壓頭。K＝130。

2、金屬洛氏硬度試驗過程

1）試驗前，應對硬度計進行校對，方法與布氏硬度計的校對方法相同。要求平均硬度值不超過標準塊硬度值的±1％～1.5％時，方可進行試驗，否則，應對硬度計進行調整、修理。

2）將試樣穩(wěn)定地放置在試驗機工作臺上，旋轉硬度計手輪使工作臺和試樣一起上升，試樣表面與壓頭接觸后繼續(xù)轉動手輪，度盤指針開始轉動，說明已開始施加初試驗力，至98.1N（10kgf，指針達到規(guī)定標志）時，停止轉動手輪。3）調整表盤使指針指向零點（測HRB 時對準“30” ）時后，在4～8s 內(nèi)施加完主應力。

4）試驗力的保持時間以指針基本停止移動為準開始計算時間，其時間推薦如下：施加試驗力后不隨試樣繼續(xù)變形的試樣，保持時間為≤2s；加試驗力后隨時間慢慢變形的試樣，保持時間為6～8s；加試驗力后隨時間有明顯變形的試樣，保持時間為20～25s。

5）在2s 內(nèi)平穩(wěn)地卸除主試驗力，保持初試驗力。

6）從相應的標尺刻度上讀出硬度值，度應為0.5 刻度。

7）重復以上操作，對每個試樣的試驗次數(shù)不得少于4 次（*次不計）。

8）采用讀數(shù)范圍作為硬度值或采用讀數(shù)的算術平均值作為硬度值。測量試樣的洛氏硬度值時，每次更換壓頭、載物臺或支座后的zui初兩次試驗結果不能采用。保證相鄰壓痕中心距及壓痕中心至邊緣距離均不小于3mm。

（三）金屬維氏硬度試驗

1、金屬維氏硬度試驗方法

金屬維氏硬度試驗方法與布氏硬度試驗方法基本相同，也是根據(jù)壓痕單位表面積所承受的試驗力來表示硬度值，不同之處是維氏硬度試驗所用壓頭是兩對面夾角為136º的金剛石正四棱錐體。對試樣施力后，將在試樣表層壓出一個正四棱錐形的壓痕，保持規(guī)定時間卸除試驗力后，測量壓痕表面正方形（實際情況下可能為菱形等形狀）的對角線長度d1、d2，取其算術平均值d(d=( d1+d2)/2),由d 值可通過計算或查表可得維氏硬度值。

1）試驗方法及試驗力的選擇

維氏硬度試驗常用試驗力范圍為49.03～980.7N。使用時應根據(jù)材料的預期硬度、試樣厚度、試驗目的進行選擇。盡可能選用較大試驗力，以減小壓痕尺寸的測量誤差。

2）試驗力保持時間的選擇 試驗力保持時間因材料不同而異：黑色金屬為10～15s；有色金屬為（30±2）s。

2、金屬維氏硬度試驗過程

1）試驗前的準備工作

估計或驗證試樣或試驗層厚度至少為壓痕對角線平均長度的1.5 倍。對硬度計進行檢查。在沒有安裝試樣的狀態(tài)下啟動硬度計，檢查各部位的運轉情況，然后用二等標準硬度塊檢查硬度計的示值精度是否在允許范圍內(nèi)（±3％硬度塊示值），如果超差時，應排除故障后方能進行實驗。試驗力的選擇應根據(jù)試樣厚度、預計硬度值及硬化層深度來選擇。為得到的試驗

結果，應盡量選用較大的試驗力，但試樣硬度大于500HV 時，不允許選用大于490.3（50kgf）的試驗力，以免損壞壓頭。當測定金屬表面處理后的硬度時，表面處理層越薄，應選擇越小的試驗力。如不知道表面層硬度時，可選擇不同級別的試驗力由小級別到大級別進行嘗試性試驗，直到兩級試驗力測出的硬度值基本相等為止，并選用小一級試驗力進行正常實驗。

2）維氏硬度試驗過程

選擇試驗力；接通電源，打開電源開關；根據(jù)所需試驗力，轉動手柄使所需試驗力數(shù)字對準標記；將試樣放在工作臺上，試驗力施加時間為2～8s，此時指示燈亮，試驗力保持一段時間（黑色金屬為10～15s；有色金屬為（30±2）s），卸除試驗力，指示燈熄滅；轉動手輪使實驗表面脫離金剛石壓頭（約7mm）；轉動轉盤手柄使物鏡對準壓痕，轉動手輪至能在測微目鏡中看到清晰的壓痕為止；測量壓痕兩對角線長度，取其算術平均值即為壓痕對角線長度；根據(jù)壓痕對角線長度和所用試驗力在維氏硬度換算表中查出硬度值；重復上述步驟，每個試樣至少測量三個點，且兩相鄰壓痕中心距和任一壓痕中心距試樣邊緣距離是：黑色金屬，≥2.5d；有色金屬，≥5d；同時同一壓痕對角線d1、d2，之差不超過短對角線長度的2％。

3）顯微維氏硬度試樣過程

    制備試樣；調節(jié)顯微硬度計底座下面的螺釘，使圓水泡居中，將儀器的工作臺處于水平位置；根據(jù)材料的情況選擇合適的試驗力和保持時間；接通電源，打開開關；將試樣放在工作臺上，使之在顯微鏡的物鏡下，轉動升降手柄，調整焦距，并轉動縱、橫向微分筒，在視場里找出待測區(qū)域；通過手柄移動工作臺至壓頭下（移動時試樣不要活動）；施加試驗力，試驗力的施加時間不大于10s，保持10～15s；卸除試驗力，將工作臺輕輕移至顯微鏡的物鏡下（移動時不要讓試樣活動）；測量壓痕對角線長度，調整縱、橫微分筒和測微目鏡的鼓輪，使壓痕的棱角和目鏡中十字交叉線中心地重合，讀出所測數(shù)值，然后轉動鼓輪使十字交叉線中心對準壓痕的對面棱角（有時楞邊不是一直線，而是一曲線時，應以棱角頂點為準），讀出所測數(shù)值。兩值之差即為壓痕對角線長度，根據(jù)放大倍數(shù)求出壓痕對角線實際長度；根據(jù)試驗力、對角線長度在顯微維氏硬度換算表中查出硬度值；重復上述步驟，每個試樣一般不少于3 個測試點，測對角線長度時測量精度應達到0.4％或0.2μm，相鄰兩壓痕中心距離和壓痕中心至試樣邊緣應大于2.5d(d 以大壓痕的對角線計算)。硬度測定 

    實踐證明，金屬材料的各種硬度值之間，硬度值與強度值之間具有近似的相應關系。因為硬度值是由起始塑性變形抗力和繼續(xù)塑性變形抗力決定的，材料的強度越高，塑性變形抗力越高，硬度值也就越高。

壓入法（布氏、洛氏、維氏）測量硬度，硬度值表示材料表面抵抗另一物體壓入時所引起的塑性變形的能力。

回跳法（肖氏、里氏）測量硬度，硬度值代表金屬彈性變形功能的大小?？虅澐y量硬度，硬度值表示金屬抵抗表面局部破裂的能力。另外,天然水中的鈣鎂含量也用硬度表示.我國規(guī)定的硬度是:1L水中含的鈣鹽,鎂鹽折合成CaO和MgO的總量相當于10mgCaO(將MgO也換算成CaO)時,其硬度是1°.水的硬度是水質的重要指標,通常分為五類:很軟水軟水中硬水硬水很硬水0°～4°4°～8°8°～16°16°～30°>30°

1.肖氏硬度(HS)=布氏硬度(BHN)/10+12

2.肖氏硬度(HS)=洛氏硬度(HRC)+15

3.洛氏硬度(HRC)=布氏硬度(BHN)/10-3

硬度測定范圍:

HS<100

HBW3~660

HRC20~70，HRA20~88，HRB20~100

HR15N70~94，HR30N42~86，HR45N20~77

HR15T67~93，HR30T29~82，HR45T10~72

HV<4000