洛氏方法及維氏方法測量金屬硬度的對比試驗(yàn)

粟毅

金屬的硬度和金屬強(qiáng)度、韌性、密度等指標(biāo)在應(yīng)用領(lǐng)域具有十分重要的意義。而要能夠靈活運(yùn)用這些性質(zhì)，首要步驟就是測量這些指標(biāo)并進(jìn)行評估。目前用于測量金屬硬度比較常用的方法主要有洛氏硬度測量，維氏硬度測量和布氏硬度測量。本文主要圍繞洛氏硬度測量和維氏硬度測量之間的共同點(diǎn)和區(qū)別展開討論。

洛氏硬度測量材料的塑性變形深度，據(jù)此推算出材料的硬度系數(shù)。采用不同的壓頭和壓力進(jìn)行組合，適合測量不同硬度范圍的材料。如HRA型采用金剛石核心壓頭，施加載荷60Kg，適合用于測量硬度較高的板狀材料，HRB型使用硬化鋼球作為壓頭，在壓力為100Kg的情況下測量較低硬度的樣品，而HRC則測量更高硬度的樣品。三種不同的量表適用于不同的測量情況。在實(shí)際測量中，應(yīng)根據(jù)被測對象選擇合適的標(biāo)度。

洛氏硬度在測量時需要讀取表盤中的數(shù)值，而維氏硬度由于使用了計算機(jī)，可以直接直觀清晰的得出所測樣品的硬度。維氏硬度前期在計算機(jī)中設(shè)定好壓力數(shù)值，將相對角度136度的金剛石壓頭壓入被測樣品，通過測量樣品被壓菱形區(qū)域的對角線長度，與施加載荷進(jìn)行計算分析，得出樣品金屬的硬度。這種方法適用于較大工件和較深表面層的硬度測量。

其中維氏硬度的計算公式為

洛氏硬度測量需要區(qū)分大量的測量間隔，因?yàn)闇y量值越接近上下限，測量結(jié)果就越不準(zhǔn)確，所以選擇的區(qū)間需要讓測量值盡可能維持在區(qū)間的中間區(qū)域。洛氏硬度試驗(yàn)共有六種組合，對應(yīng)于表面洛氏硬度的六個標(biāo)度。測量結(jié)果不需要計算，可以通過刻度盤直接讀取。

在洛氏硬度測量中，一共有兩組實(shí)驗(yàn)，均選擇150Kg載荷，符合HRC標(biāo)準(zhǔn)。所選材料為圓柱金屬塊，公稱硬度HRC=64/47.3。在實(shí)驗(yàn)操作中，首先通過儀器右側(cè)的黑色旋鈕，轉(zhuǎn)動齒輪選擇適合的HRA/HRB/HRC測量范圍。然后從包裝中取出試驗(yàn)材料，觀察材料，選擇表面平整干凈的區(qū)域。把它放在測量平臺上。 旋轉(zhuǎn)平臺下方的旋鈕，使探頭接觸樣品表面，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，直到中間小圓的指針達(dá)到紅色，然后停止旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)大刻度盤的外螺紋，使大指針與HRB對齊。這一步是調(diào)零操作。向后推右把手，此時，測量儀表將自動加壓，等待2-3秒后復(fù)位手柄。讀取并記錄此時指針的位置。此數(shù)據(jù)為本次測量實(shí)驗(yàn)中試樣的洛氏硬度。

在維氏硬度中，進(jìn)行了一組實(shí)驗(yàn)測量。所選用的材料也是一個金屬塊的扁筒，其名義硬度值為294維氏硬度。首先將樣品放置在試驗(yàn)臺上，設(shè)置D1和D2的數(shù)據(jù)。通過兩個金屬旋鈕，移動電子透鏡的檢測范圍，選擇一個沒有更多缺陷的平坦區(qū)域作為探頭的檢測區(qū)域。按“確定”按鈕三次，按“開始”按鈕一次。軟件將根據(jù)設(shè)定值自動加載。電腦會出現(xiàn)菱形區(qū)域，軟件會自動識別正方形區(qū)域，拖動方向區(qū)域使其與菱形區(qū)域邊界盡可能接近。讀取電腦屏幕右側(cè)的維氏硬度值并記錄。

洛氏硬度試驗(yàn)進(jìn)行了兩次。兩個樣品的標(biāo)稱值分別為64和47.3。實(shí)測數(shù)據(jù)分別為62.6和48。在誤差范圍內(nèi)，測量結(jié)果準(zhǔn)確。維氏硬度測量，試樣名義硬度為294維氏硬度，實(shí)測硬度為293.55維氏硬度。誤差較小，測量數(shù)據(jù)有效。

不同硬度系數(shù)之間是具有一定的轉(zhuǎn)換關(guān)系，洛氏硬度和維氏硬度主要有三種轉(zhuǎn)換關(guān)系。

一：基于qvarnstrom轉(zhuǎn)換公式的預(yù)測

洛氏硬度在測量時需要劃分區(qū)間，所以轉(zhuǎn)換公式也需要根據(jù)不同區(qū)間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，修正后的公式如下：

該公式由我國公布的黑色金屬硬度標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)換算而成，HRC誤差基本在10%以內(nèi)

二：根據(jù)不同壓頭的應(yīng)力，分析了洛氏硬度與維氏硬度壓痕深度的關(guān)系

與國家標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)值比較，計算結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)值的誤差為±0.1HRC。

三：根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用線性回歸方法對洛氏硬度與維氏硬度的換算進(jìn)行探討，得出換算公式：

該公式適用范圍小，誤差大，但計算簡單，在精度不高的情況下可以使用。

幾種測量硬度的方法具有其共同性，具體體現(xiàn)在被測樣品在均在壓力作用下被下壓產(chǎn)生凹痕。通過測量凹陷程度或凹陷區(qū)域的大小，可以得到該區(qū)域不同試樣的硬度。通過測量不同材料的硬度，可以了解各種材料的特性，更好地應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。相對來說，維氏硬度和布氏硬度兩個值相近，這是查表得出的結(jié)論。于其測量方法的相似性有一定的關(guān)聯(lián)，兩者也可以通過前文所表述的三種換算公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而布氏硬度測量由于其原理在根本上與另外兩種硬度測量不同，要進(jìn)行轉(zhuǎn)換比較復(fù)雜。不同的測量方法對壓頭有相似的標(biāo)準(zhǔn)，故在材料表面產(chǎn)生的壓痕也具有相似的尺寸和形狀。

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)中，需要注意的無論采用哪種測量方法，都會因材料本身的原因而產(chǎn)生一定的誤差。因此，在選擇測量區(qū)域時，要考慮區(qū)域的平整度以及是否存在較大的缺陷，這些都會影響測量結(jié)果。

參考文獻(xiàn)：

[1]韓德偉. 金屬硬度檢測技術(shù)手冊[M]. 中南大學(xué)出版社， 2007.

[2]王廷棟， 趙希淑. 布氏硬度相似條件的討論[J]. 力學(xué)與實(shí)踐， 1996（3）.

[3]楊濤. 影響顯微硬度測量的壓痕尺寸效應(yīng)[J]. 貴金屬， 2000， 21（003）：41-44.

[4]楊迪. 金屬硬度試驗(yàn)[M]. 計量出版社， 1983.

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