硬度计基本原理

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附录一 硬度计基本原理

一、布尔硬度（HB）
1、基本原理
将载荷P和直线为D的淬火钢球压入试样的表面，并保持一定时间，然后去除< br>载荷P，测量压痕直径d，见图1所示。最后计算出布氏硬度值。
计算公式如下：若压痕的深度为h，则压痕的面积为
F?
?
Dh?
?
D
2
(D?D
2
?d
2
)

HB?





P2P

?
22
F
?
D(D?D?d)
图1布尔硬度计测量原理图
式中
P
——计算平均压力，以此人为试样硬度值，称布氏硬度值，以符号HB
F
表示。
P——施加的载荷；
F——压痕的表面积；
D——钢球的直径；
d——压痕直径。
在P和D一定的情况，布氏硬度的高低取决 于压痕的直径d，d越大，表明
材料的HB值越低即材料软；反之材料硬度高即HB值越大。在具体测量 时，并
不是每次都按上述公式去算，而是根据D与P值的大小，测量出痕压的直径d，
然后查表 即得，这种表格就是根据上述公式计算制出的，可参考附录一。
由于材料有硬有软，工件有厚、薄、大、小之分，为适应不同情况，其压头
..

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有φ2.5mm、φ5mm、φ10mm三种钢球。载荷有156N、62 5N、1875N、2500N、
7500N、10000N、30000N7种。在具体测量时只要满 足PD
2
为常数，则对同一
材料来说，布氏硬度值都相同；对不同材料，所得布氏硬度 值是可进行比较的。
国家标准规定PD
2
为30、10、2.5三种。按表1布氏硬度 试验的规范来选择钢球
直径D和加压负荷P以及保压时间。在试样截面大小和厚度允许的情况下，尽可能选用直径大的钢球和大的载荷 ，这样更接近于材料的真实性能；同时测量
的压痕大，误差也小 。所以测定钢的硬度时，尽可能用φ10mm钢球和30000N
的载荷 。压痕直径应在0.25D< d<0.6D的范围内，否则试验结果无效，应选其他
规范重做实验。这是因为d值太小，灵敏度和准确 性将降低，若d值太大，压痕
的几何形状不能保持相似的关系，影响准确性。
表1 布氏硬度实验规范
金属 布氏硬负荷 P与
类型 度范围压头直径
（HB）
D的关系

黑
色
金
属



有
色
金
属
140~450 6~3
4~2
<2
>6
6~3
<3
6~3
4~2
<2
9~3
6~3
<3
>6
6~3
<3
钢球直径
D(mm)
P=30D
2

钢球直径
D(mm)
10.0
5.0
2.5
10.0
5.0
2.5
10.0
5.0
2.5
10.0
5.0
2.5
10.0
5.0
2.5
负荷 PN 载荷持续
时间（s）
10 30000
7500
1895
10000
2500
625
30000
7500
1895
10000
2500
625
2500
625
156
<140 P=10D
2

10
<130 P=30D
2

30
36~130 P=10D
2

30
8~35 P=2.5D
2

60
布氏硬度计的压头，是淬火的高碳工具钢制的钢球， 为了避免钢球压裂或变
形，不能测太硬的材料。
2．布氏硬度计的构造与操作
常用 布氏硬度计有油压式和杠杆式两种，油压式是通过液体来传递压力，是
比较早期的硬度计类型，容易产生 过载等缺点。目前多采有杠杆式硬度计，它是
通过杠杆来传递补压力，是较完善的硬度计。现以HB-3 000型布氏硬度计为例，
..

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介绍其主要结构，见图2所示。
指示灯——用于表示加载过程；
压头——是淬火钢球制成；
载物台——放置试样；
升降丝杆——使载物台升降的机构；
手轮——使丝杆发生上、下旋转；
时间定位器——用于控制加载时间；
加载按钮——用于施加载荷。
二、洛氏硬度（HR）
洛氏硬度法克服了布氏硬度法的缺点，它的压痕较小，
可测较高硬度，可直接读数，操作方法、效率高，帮为热处理产品检验的主要方
法之一。
1、测试原理
洛氏硬度法也采用压入法，它用金刚石和钢球作压头。但它是以压痕的陷凹深度作为计量硬度指标。
为了可以用一个试验机测定从软到硬的材料的硬度，采用了不同的压头和 总
负荷，组成了15种不同的洛氏硬度标尺。表2所示为各种洛氏硬度标尺的、试
验条件及其应 用。钢铁材料常用HRB和HRC两种标尺测定。
表2 各种洛氏硬度标尺的试验条件及其应用
标度符
号
HRA
HRB
HRC
HRD
HRE
HRF
HRG
采用压头
金钢石圆锥
1.588mm钢球
金钢石圆锥
金钢石圆锥
3.157mm钢球
1588 mm钢球
1588 mm钢球
总负表盘指示常用范
荷（N） 刻度颜色 围
600
1000
1500
1000
1000
600
1500
黑色
红色
黑色
黑色
红色
红色
红色
70~85
25~100
20~67
40~77
70~100
40~100
31~94
应用举例
碳化物、硬质合金、钢
材表面硬化层
软钢、退火钢、铜合金、
铝合金、可锻铸铁
淬火钢、调质钢、深层
表面硬化钢
薄钢板、中等厚度的表
面硬化工件
铸铁、铝、镁合金、轴
承合金等
薄软钢板、退火铜合金
等
磷青铜、铍青铜等
..

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HRH
HRK
HRL
HRM
HRP
HRR
HRS
HRV
3.157mm钢球
6.350 mm钢球
6.350 mm钢球
6.350 mm钢球
6.350 mm钢球
12.70 mm钢球
12.70 mm钢球
12.70 mm钢球
600
1500
600
1000
1500
600
1000
1500
红色
红色
红色
红色
红色
红色
红色
红色
-
40~100
-
-
-
-
-
-


测定轴承合金等非均质
合金的平均硬度
各种洛氏硬度的测量原理都相似，现以测量HRC为例说明之。
图3-5是洛氏硬度计测量原 理图，一般较硬的金属材料（如淬火后的工件）
用金刚石压头，较软的金属材料用钢球压头。

00
25
50
h
1
100N
1400N
1 00N
75
50
h
2
100N
25
75
5 0
h
3
=h -h
21
0
25




75
(a)

(b)
(c)
图3 洛氏硬度计测量原理图
总载荷P分为两次加在压头上。首先加入预载荷p
0
，使压头 与试样的表面接
触良好，此时压痕深度为h
1
(见图3a)；然后加入主载茶p
1
，这时总载荷P= p
0
+p
1
，
此时压痕深度增加 到h
2
位置(见图3b)。随后将主载荷卸除，此时压痕由于加载
时所产生的弹性变形 已恢复，这时压痕深度h
3
= h
2
–h
1
（见图3c）作为测量的依
据。
如果直接以压痕深度h来作计算硬度 指标，那么就会出现硬的金属硬度值小，
而软的金属硬度值反而大的现象，这不符合人们的习惯。因此用 一常数k来减去
所得的压痕深度值作为洛氏硬度的指标。
即HR=k-h
当以钢球 为压头时，k=0.26；以金刚石锥体为压头时，k=0.2，此外，在读数
上又规定以压入深度0. 002作为标尺刻度的一格，这样前者的0.26常数相当于
130格，后者0.2常数相当于100格 ，因此洛氏硬度值可由下式确定：
HRC=100-
h

0.002
因此当压痕深度为0.2mm时，HRC=0。
..

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2．洛氏硬度机的构造与操作
洛氏硬度计类型较多，外形构造也不同，但构造原理及主要部件相同，见图
4所示。









..

图4