硬度计的原理、构造及应用与材料的关系

硬度计的原理、构造及应用与材料的关系
<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**，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
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长久变形，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。
 
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。
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，*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**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
式中：P——载荷(g)；
      d——压痕对角线长度(μm)。