第十四章各種硬度計的原理、構造及應用
與材料的關係
硬度反映了材料彈塑性變形特性，是一項重要的力學效能指標。與其他力學效能的測試方法相比，硬度試驗具有下列優點：試樣製備簡單，可在各種不同尺寸的試樣上進行試驗，試驗後試樣基本不受破壞；裝置簡便，操作方便，測量速度快；硬度與強度之間有近似的換算關係，根據測出的硬度值就可以粗略地估算強度極限值。
所以硬度試驗在實際中得到廣泛地應用。
硬度測定是指反一定的形狀和尺寸的較硬物體(壓頭)以一定壓力接觸材料表面，測定材料在變形過程中所表面出來的抗力。有的硬度表示了材料抵抗塑性變形的能力(如不同載荷壓入硬度測試法)，有的硬度表示材料抵抗彈性變形的能力(如肖氏硬度)。通常壓入載荷大於9.
81n(1kgf)時測試的硬度叫巨集觀硬度，壓力載荷小於9.81n(1kgf)時測試的硬度叫微觀硬度。前者用於較在尺寸的試件，希反映材料巨集觀範圍效能；後者用於小而薄的試件，希反映微小區域的效能，如顯微組織中不同的相的硬度，材料表面的硬度等。
硬度計的種類很多，這裡重點介紹最常用的洛氏、布氏、維氏和顯微硬度測試法。
14.1洛氏硬度測試法
一、洛氏硬度的測量原理
洛氏硬度測量法是最常用的硬度試驗方法之一。它是用壓頭(金剛石圓錐或淬火鋼球)在載荷(包括預載荷和主載荷)作用下，壓入材料的塑性變形濃度來表示的。通常壓入材料的深度越大，材料越軟；壓入的濃度越小，材料越硬。
圖14-1表示了洛氏硬度的測量原理。
圖中：0-0：未加載荷，壓頭未接觸試件時的位置。
1-1：壓頭在預載荷p0(98.1n)作用下壓入試件深度為h0時的位置。h0包括預載所相起的彈形變形和塑性變形。
2-2：加主載荷p1後，壓頭在總載荷p= p0+ p1的作用下壓入試件的位置。
3-3：去除主載荷p1後但仍保留預載荷p0時壓頭的位置，壓頭壓入試樣的深度為h1。由於p1所產生的彈性變形被消除，所以壓頭位置提高了h，此時壓頭受主載荷作用實際壓入的濃度為h= h1- h0。
實際代表主載p1造成的塑性變形深度。
h值越大，說明試件越軟，h值越小，說明試件越硬。為了適應人們習慣上數值越大硬度越高的概念，人為規定，用一常數k減去壓痕深度h的數值來表示硬度的高低。並規定0.
002mm為乙個洛氏硬度單位，用符號hr表示，則洛氏硬度值為：
(14-1)
此值為無量綱數。測量時可直接在表盤上讀出。表盤上有紅、黑兩種刻度，紅色的30和黑色的0相重合。
使用金剛石圓錐壓頭時，常數k為0.2mm，硬度值由黑色表盤表示，此時
(14-2)
使用鋼球(φ=1.588mm)壓頭時，常數k為0.26mm，硬度值由紅色表盤表示，此時
(14-3)
洛氏硬度計的壓頭共有5種，其中最常用的有兩種：一種是頂角為120°的金剛石圓錐壓頭，用來測試高硬度的材料；另一種是直徑為的淬火鋼球，用來測軟材料的硬度。對於特別軟的材料，有時還使用直徑為、、的鋼球作壓頭，不過這幾種比較少用。
為了擴大洛氏硬度的測量範圍，可用不同的壓頭和不同的總載荷配成不同標度的洛氏硬度。洛氏硬度共有15種標度供選擇，它們分別為：hra，hrb，hrc，hrd，hre，hrf，hrg，hrh，hrk，hrl，hrm，hrp，hrr，hrs，hrv。
其中常用的幾種標度列表如下：
表14-1各種洛氏硬度值的符號及應用
二、洛氏硬度計的構造
洛氏硬度計種類很多，構造各不相同，但構造原理及主要部件都相同。圖14-2表示了洛氏硬度計的機構構造原理，其他靜力載荷測定法的硬度計的構造原理基本與此相同。圖14-3為硬度計的外形圖。
圖14-2洛氏硬度計機構示意圖圖14-3硬度計外形圖
①-壓頭②-載荷法碼③--主槓桿④-測量槓桿①--讀數百分表②--裝壓腦處
⑤-表盤⑥-緩衝裝置⑦--載物台⑧-公升降絲槓③-載物台④--公升降絲槓手輪
⑤--載入手輪⑥--解除安裝手輪
14.2布氏硬度測試法
一、布氏硬度的測量原理
選擇一事實上的載荷p，把直徑為d的淬火鋼球壓入試件表面並保持一定時間，然後卸去載荷，測量鋼球在試樣表面壓出的壓痕直徑d，計算出壓痕面積，算出載荷p與壓痕面積的比值，這個比值所表示的硬度就是布氏硬度，用符號hb表示。布氏硬度的測量原理如圖11-4所示。設壓痕的深度為h，則壓痕的球冠面積為：
圖14-4布氏硬度計試驗原理示意圖
(14-4)
式中：p——測試用的載荷(kg)；
d——壓頭鋼球的直徑(mm)；
d——壓痕直徑(mm)；
f——壓痕面積(mm2)。
布氏硬度的單位為kg/mm2，這是目前各國文獻中常用的單位，通常只給出數值而不寫單位，如hb200，若要換算成國際單位mpa，需要將硬度值乘以9.81。
布氏硬度的壓頭鋼球直徑有φ2.5mm，φ5mm，φ10mm三種，載荷有15.6kg、62.
5kg、182.5kg、250kg、750kg、1000kg、3000kg七種。可根據材料的軟硬不同選擇配合使用。
為了在不同直徑的壓頭和不同載荷下進行測試時，同一種材料的布氏硬度值相同。壓頭的直徑與載荷之間要滿足相似原理。相似原理是指在均質材料中，只要壓入角φ(即從壓頭圓心壓痕兩端的連線之間的夾角)不變，則不論壓痕大小，金屬的平均抗力相等。
如圖14-5所示。德國的邁耶爾(mayer)通過試驗得出重要經驗關係。當d/d>0.
1時，壓痕直徑d與載荷的關係為：
(14-5)
這個公式稱為邁耶爾定律。戒a和n均為常數。他還得出如下的結論：當使用的壓頭直徑不同時，指數n幾乎與d無關，而常數a則隨d值的增大而減小，且：
圖14-5不同直經的鋼球壓頭產生在幾何上相似的壓頭
(14-6)
對每種材料，a為常數，並與d無關。由上式得：
代入(14-5)，得
(14-7)
(14-8)
此式說明，在進行布氏硬度測試時，只要使p/d2為一常數，就可以使壓入角φ保持不變，從而保持了幾何形狀相似的壓痕。
所以在布氏硬度測量中只要滿足p/d2為常數，則同一材料測得的布氏硬度值是相同的。不同材料測得的布氏硬度值也可以進行比較。p/d2的數值不是隨便規定的，各種材料軟硬相差很大。
如果只規定乙個p/d2的值，對於較硬的材料，壓入角會太小；對於較軟的材料，壓入角又會很大。若壓入角太小，壓痕就小，測量誤差就會很大。當入壓角較大但小於90°時，壓痕直徑隨壓入深度增加有較大變化，有利於測量。
但當壓入角大小90°時，隨壓入深度的增加，壓痕變化較小。為了提高測量精度，通常使0.25布氏硬度儀的試驗規範列表表14-2中。
二、布氏硬度的測試步驟
布氏硬度計使用的步驟如下：
1．根據試件材料選擇合適的壓頭和載荷。
2．加預載。
3．加主載並保持一定的時間。
4．解除安裝。
5．將試樣取下，用帶刻度的低倍放大鏡測壓痕直徑d。
6．查《壓痕直徑與布氏硬度對照表》得到布氏硬度值。
表14-2布氏硬度試驗規範
布氏硬度的表示方法是若用φ10mm鋼球，在3000kg載荷下保持10s，測得的布氏硬度值表示為字母hb加上所測得的硬度值，例如hb400。在其他試驗條件下，在hb後面要註明鋼球直徑、載荷大小及保載時間，例如：hb2.
5/187.5/10=200表示用φ2.5mm的鋼球在187.
5kg載荷下保持10s測得的布氏硬度為200。
布氏硬度測試中還應注意以下幾個問題，即試驗壓痕直徑的範圍應為0.25d三、布氏硬度的特點
布氏硬度試驗的優點是其硬度代表性全面，因壓痕面積較大，能反映較大範圍內金屬各組成相綜合影響的平均效能，而不受個別組成相及微小不均勻度的影響。因此特別適用於測定灰鑄鐵、軸承合金和具有粗大晶粒的金屬材料；試驗資料穩定，資料重複性強，此外，布氏硬度值和抗拉強度σb間存在一定換算關係，見表14-3。
表14-3布氏硬度與抗拉強度的關係
幾種常用硬度計的維修方法
常用的金屬材料的硬度檢測試驗機有布氏 黎克特制 洛氏硬度計等。布氏硬度計主要用於組織不均勻的鍛鋼和鑄鐵的硬度測試，鍛鋼和灰鑄鐵的布氏硬度與拉伸試驗有著較好的對應關係。黎克特制硬度計適用於金屬材料的快速硬度測試，特別適宜對大型零部件及不可拆卸部件的現場硬度測試。洛氏硬度試驗採用了3種壓頭，6種試驗力，...
布氏硬度計常見的故障及排除方法
1 測定的硬度值與標準硬度塊示值不一致 造成這種故障的原因及排除方法 1 硬度計安裝不水平，應將硬度計調至水平 2 鋼球表面不光潔或直徑超過允差，應用千分尺挑選合格的鋼球換上 3 壓痕測量裝置誤差偏大，應調整壓痕測量裝置的允許誤差，使其 0.5 4 砝碼不能垂直放置，砝碼與硬度計後蓋擦靠，應檢查吊環...
電氣間隙和爬電距離的測量方法
爬電現象 在絕緣材料的效能降低時受天氣等外界因素如空氣濕度大,接連陰天霉雨季節,潮濕環境等使得帶電金屬部位與絕緣材料產生象水紋樣電弧沿著外皮爬的現象，也有點象閃電一樣.爬電原理 兩極之間的絕緣體表面有輕微的放電現象，造成絕緣體的表面 一般 呈樹枝狀或是樹葉的經絡狀放電痕跡，一般這種放電痕跡不是連通兩...