硬度測量方法圖解

Ⅰ 怎樣測量物體的硬度

果肉硬度是衡量鮮果品質和貯藏性狀的重要指標。果實隨著成熟度的提高，果肉逐漸變軟，耐壓力也隨之下降，果實硬度計正是根據這個原理，通過測定果實耐壓力的大小來判斷果實的成熟度的。這個耐壓力就是通常我們所說的果肉硬度。法定計量單位為Pa。

圖7-1 GY-1型果實硬度計

目前國內常用的果肉硬度測定儀是GY-1型。

在測量果實硬度前，先將果實表皮用刀削去1～2cm²，每個果實測相應的2～4個點。GY-1型果實硬度計在使用時要先按動回零滾動花帽釘，使指針復原，然後轉動表盤，使指針指在2kg的位置，即可開始測定。將硬度計的壓頭壓入果肉至刻度線，這時表針所指的刻度線即為果肉的硬度。

測定結束後，需用蒸餾水清洗儀器上所粘污的果汁，並用干絨布擦凈保存，以防生銹。

Ⅱ 壓入硬度的測定

根據壓錐（或壓痕）的形狀顯微壓入硬度可分三種：用硬質合金製成的球體測出的硬度稱布氏硬度；用金剛石製成的正方形錐體測出的硬度稱維克硬度；用金剛石製成的菱形錐體測出的硬度稱諾普硬度。礦物學的研究中，通常是測試礦物的維克硬度。測定時，加一定負荷（砝碼），將錐體壓入礦物表面，形成一永久性壓痕。由於壓痕側面積（或深度）與負荷成正比例關系，在負荷固定的情況下，壓痕側面積與礦物硬度成反比例關系。即壓痕側面積越大時，礦物硬度越低，反之，礦物硬度越高。若保持壓痕大小基本不變，則可通過改變負荷來測定。礦物的壓入硬度與負荷和壓痕側面積三者之間的關系式如下：

礦相學

式中：H為壓入硬度（kg/mm²）；P為負荷重量（kg）；S為壓痕側面積（mm²）。

目前國內外用於顯微壓入硬度測定的壓錐，主要是用維克（Vicker）壓錐（圖8-2a），或者用諾普（knoop）壓錐（圖8-2b）。前者測得的硬度用H_V 或VHN表示，後者用H_K或KHN表示。

圖8-2 維克與諾普壓錐及其壓痕形狀

圖8-3 維克壓頭及其壓痕面積展開示意圖

維克壓錐相對斜面間夾角為136°（圖8-2a），壓痕投影呈正方形（圖8-2a），實際壓入面積應以錐體的總側面積S＝4f計算。f為每個三角形壓面的面積，a為正方形壓痕的邊長，即每個三角形壓面的底邊長，h為三角形壓面的高，d為壓痕投影對角線長（圖8-3）。這樣公式（8-1）可以演化為：

礦相學

單位為：千克/平方毫米（kg/mm²），即P以千克（kg）、d用毫米（mm）計算。

諾普壓錐體相對兩面夾角分別為130°和172°30′，壓痕投影為長菱形（圖8-2），其硬度計算公式為：

礦相學

所用符號意義與（8-2）式相應，僅d為長對角線長度。

兩種壓錐相比較，諾普壓錐的壓痕對角線較長，壓痕深度較淺，因此對於測定硬度異向性和厚度較小的礦物有利；維克壓錐的壓痕為正方形，用其測定晶體不同方向的硬度時，較易獲得平均值，數據也較穩定。

一、顯微硬度儀的構造

顯微硬度儀按安裝方式可分兩類：一類是壓錐與物鏡分離式，如蘇式ПMT-3型及我國上海產71型顯微硬度儀；另一類是壓錐與物鏡一體，如聯邦德國產附在ORTHOPLAN型及ORTHOLUⅡPOL-BK型礦相顯微鏡上的自動顯微硬度計。

1.國產71型顯微硬度儀

由測微反光顯微鏡、載物台和負載裝置等部件組成。測微反光顯微鏡在左半部，由測微目鏡、物鏡等組成，用於選擇礦物，確定欲測部位和測量壓痕對角線長度。載物台安裝在可升降的立軸上，可以作上下、左右和前後移動，以便准焦欲測部位和調節壓痕位置等。負載裝置位於右半部，撥動手輪，可變換使用不同重量的砝碼（P）。壓錐為金剛石正方形錐體（維克壓錐），被固定在保護套內。

2.聯邦德國自動顯微硬度計

主要部件為自動負荷選擇器、壓錐、壓頭、微尺目鏡和砝碼等（圖8-4）。

自動顯微硬度計裝在ORTHOLUXⅡPOL-BK型顯微鏡上者如圖8-4 a。其自動負荷選擇器如圖8-4b、c，當選定所需負荷及加壓時間後，調節其上各種旋鈕，可自動控制加壓速度和時間，並以指示燈給出信號。壓錐有維克和諾普兩種，可自由選擇，壓頭可與鏡筒相連（圖8-4d），便於觀察和測試。通過轉動微尺目鏡的旋鈕測量壓痕對角線長度（d）。砝碼有5 g、10 g、25 g、50 g、100 g、200 g、400 g七種，使用前須經標定天平校正，各種砝碼不能組合使用。

二、測量方法

1.國產71型顯微硬度儀的測定方法

將欲測礦物置於物台上，向左推使物台位於顯微鏡下方，轉動物台手柄，使光片准焦，然後調節左右和前後旋鈕，使欲測部位居中。輕推物台向右，使欲測部位恰好位於壓錐下方。旋動壓錐升降旋鈕，徐徐下降，當紅燈明亮時即開始加壓，一定時間後（選定的時間，15 s為宜），綠燈明亮，則加壓結束（紅綠燈交替時間可由旋鈕控制）。提升壓錐卸荷，將物台重新推至左端，在反光顯微鏡下測量壓痕對角線長度。

圖8-4 硬度計示意圖

1—測試負荷的支柱；2—氣泡水準；3—負荷期間指示燈；4—按鈕帽；5—啟動按鈕；6—調節栓；7—斷路按鈕；8—負荷數調整按鈕；9—泵工作期間調節鈕；10—主（轉換）開關；11—主報警燈；12—調平螺旋；13—測尺照明器插口；14—調壓管介面；15—主電纜；16—插座；17—壓頭壓力管的介面；18—觀測物鏡；19—蓋帽（保護罩）；20—金剛石壓錐；21—中心校正螺絲；22—彈性軸；23—壓力管介面

測量時，首先調節顯微鏡視域中心與壓痕中心重合，可扭動物台前後和左右旋鈕，使其重合。然後利用鼓輪移動測微目鏡中的十字絲（圖8-5 十字絲從a移至b）量出壓痕對角線格數，將格數乘以格值（格值由說明書中查出），換算成毫米，然後將給定的P和d值代入公式（8-2），即可求出H_V。

圖8-5 壓痕對角線長度測量示意圖

2.聯邦德國自動顯微硬度計的測定方法

操作程序是先將微尺目鏡裝入鏡筒中，再把物鏡、壓頭和金剛石壓錐一起旋入鏡筒下端鏡頭介面中，調節壓頭中心使之與物鏡視野中心一致。准焦欲測礦物後，即可選擇負荷及加壓時間，再轉動彈性軸，使金剛石錐按箭頭方向轉入光路。開始加壓時紅色控制針指示泵馬達正在運轉；指示燈明亮，同時泵自動關閉。在規定的加壓時間完成後，指示燈熄滅，控制針復原。然後按箭頭方向轉回彈性軸，使觀察物鏡轉入光路。

測量對角線長度時，調節微尺目鏡上的校正螺絲，使目鏡十字絲中心對准壓痕中心。然後轉動物台活動旋鈕，使壓痕對角線一端對准標尺零點（圖8-6a），豎尺讀數為075～100之間，再將另一端下移至075處（圖8-6b），從橫尺上讀出另一讀數為12.5，將兩數相加（75＋12.5＝87.5格）即為壓痕對角線長度。欲求另一對角線長度時，將微尺目鏡向右轉動90°後，重復前法測量。將兩對角線長度相加平均，得出d。根據d和所加負荷P代入公式（8-2），即可求出H_V。若採用諾普壓錐時，測量方法與上相同，測出長對角線長度（圖8-7），代入公式（8-3），即可得出H_K。

圖8-6 維克壓痕對角線長度的測量

圖8-7 諾普壓痕長對角線長度的測量

三、測量注意事項

1.校正硬度值

在使用71型顯微硬度儀測量礦物之前，可用儀器所附的標准塊（多選用石鹽晶體的解理面作標准）進行標定。作法是用5g負荷，用維克壓錐連測4次～6次，若計算其硬度值均在20 kg/mm²～23 kg/mm² 范圍內，則被認為儀器已校正好。此時的壓錐與礦物光面的距離為標准距離。如果所測結果不在20 kg/mm²～23 kg/mm² 之內，則應調節壓錐的高低位置後重測，直至符合要求為止。

2.壓痕與礦物顆粒大小

所測礦物的顆粒不能太小，壓痕對角線長度不應大於被測礦物粒徑的1/4，兩次測試的壓痕間距要超過壓痕對角線長度的三倍以上。壓痕深度要小於被測顆粒厚度的1/10。同一種礦物要測10個以上壓痕。

3.負荷選擇

圖8-8 幾種常見礦物的維克硬度值與負荷的關系

根據硬度理論公式，礦物的硬度與測定時的負荷大小無關，然而在實際測試中卻往往出現誤差。絕大多數礦物隨測試負荷減小而出現硬度值偏大的趨勢（圖8-8）。其原因主要是由於礦物磨光面在拋光過程中產生一非晶質較高硬度薄膜，負荷較小時這一薄膜對礦物硬度的歪曲越明顯。再者壓痕產生後由於彈性復原，造成壓痕對角線收縮，對於可塑性大的礦物和壓痕對角線過小時，將會造成較大誤差。因此對於脆性礦物可適當減小負荷，對可塑性礦物則一般採用大負荷，按國際礦相學委員會建議，一般採用100 g負荷。在測試硬度時，要註明所採用的負荷重量，以利於對硬度值的選擇和對比。

4.加壓時間

硬度計算公式中雖然沒有時間因素，但在實測中，壓錐與礦物接觸的時間長短，也會造成壓痕大小變化。加壓時間越長，壓痕也逐漸增大。這是由於礦物的可塑性引起的，因此，為了求得標准硬度值，按國際礦相學委員會規定，加壓時間為15 s。

5.壓痕對角線測量精度要求

實測礦物硬度值主要取決於壓痕對角線長度。而壓痕對角線長度除必須提高測量精度外，還有壓痕規整程度、光源波長、物鏡解析度、焦深范圍等外在因素均影響壓痕對角線長度測量的精度。為了克服上述因素造成的誤差，盡量使壓痕足夠大，一般不宜小於20μm，才能保證硬度值誤差在5%以內。

6.震動誤差

顯微硬度儀的靈敏度很高，微小的震動甚至變壓器的震動都會影響壓痕大小的變化。所以安裝儀器必須嚴格防震，儀器應置於防震桌或水泥台之上，並在儀器座下墊以橡皮墊或海綿墊，以防止震動誤差。

7.壓痕的形狀觀察

因礦物的彈性復原、塑性變形、脆性破裂等原因，可使壓痕呈現各種形狀，即使是等軸晶系礦物，壓痕形狀也會隨不同方位而異。一般可分完整的、輕微破裂的、破裂的、內凹的、外凸的五類。記下這些壓痕形狀有助於鑒定礦物和對比研究。

四、摩氏硬度與壓入硬度的關系

壓入硬度值主要表示礦物抵抗塑勝變形的能力，至於彈性、脆性等則居於次要地位。刻劃硬度亦表示抵抗塑性變形的能力，但抵抗破裂、剝離及刻劃的方向性等因素的影響比對壓入法重要。因此兩者僅在一定程度上可以類比。

所以摩氏硬度與壓入硬度數值並非完全呈線性關系變化，只是同消長關系。

普多芙金娜（И.А.Пудовкина）綜合了各家數值，取其平均數，作出了維克硬度值與摩氏硬度數的換算圖（圖8-9）。

圖8-9 維克硬度值（H _V）與莫斯硬度數（H _M）關系圖

（據金屬礦物顯微鏡鑒定，1978）

維克硬度（H_V）與摩氏硬度（H_M）之間的線性關系式為：

礦相學

根據上述公式可以大致換算出兩者的相當數值。

常見礦物抗磨硬度的相對順序和刻劃硬度及壓入硬度的相應關系見表8-1。

表8-1 常見礦物抗磨硬度的相對順序表（從上至下、自左向右、以遞增為序）

註：維克硬度值的右下角數字為所用砝碼重量，未標下角數字者一般系使用100 g砝碼所測。

實驗作業

（1）用刻劃法測定礦物硬度

熟悉下列標准礦物的刻劃硬度

方鉛礦：低硬度，即用銅針能刻動。

閃鋅礦：中硬度，即用銅針不能刻動，鋼針能刻動。

黃鐵礦：高硬度，即用鋼針也不能刻動。

測定下列礦物硬度並分級

毒砂、黃銅礦、輝銻礦、鉻鐵礦、輝鉍礦、磁黃鐵礦、磁鐵礦、斑銅礦、輝銅礦。

（2）用亮線法比較下列礦物硬度的相對大小

磁黃鐵礦-黃銅礦；斑銅礦-黃銅礦；方鉛礦-閃鋅礦。

（3）用壓入顯微硬度儀側定下列礦物的維克硬度值（H_V）

閃鋅礦、方鉛礦、黃鐵礦。

Ⅲ 硬度計如何使用

1、壓頭和試樣接觸，載入初始試驗力，大指針轉三圈（小指針到紅點）；用手柄載入主試驗力，待指針穩定後，用手柄卸載試驗力，讀取表盤上大指針的位置，比如大指針指在45.5，洛氏硬度即為45.5.

說明書：指針式洛氏硬度計，操作稍微復雜點，解析度0.5HR。

2、數顯洛氏硬度計，如WHR-150、WHR-60D、RTD700.

使用方法如下：

壓頭和樣品接觸，力值條到OK（載入初始試驗力），主試驗力自動載入、自動保荷、自動卸載，液晶屏自動顯示洛氏硬度值。

3、自動數顯洛氏硬度計RTD710，壓頭自動下降，自動載入初始試驗力和主試驗力。

使用方法如下：
一鍵式操作：當壓頭頂端與試樣距離0.5-1mm時，點擊「測試」按鈕，壓頭自動下降，自動施加初負荷和主負荷，自動顯示硬度值；

4、全自動洛氏硬度計，具有自動升降功能，

操作方法：

一鍵式操作：按啟動鍵，工作台自動上升，樣品觸碰到壓頭後自動載入，自動卸載，自動顯示硬度值。

5、快速洛氏硬度計，測試非常快速，4秒出硬度值。

使用方法：拉動手桿，松開手桿，顯示硬度值。（初始試驗力和主試驗力一起載入）

Ⅳ 維氏硬度測量方法

測量方法：用一個相對面間夾角為136度的金剛石正棱錐體壓頭，在規定載荷F作用下壓入被測試樣表面，保持定時間後卸除載荷，測量壓痕對角線長度d，進而計算出壓痕表面積，最後求出壓痕表面積上的平均壓力，即為金屬的維氏硬度值，用符號HV表示。在實際測量中，並不需要進行計算，而是根據所測d值，直接進行查表得到所測硬度值。
維氏硬度是英國史密斯和塞德蘭德於1921年在維克斯公司提出的。表示材料硬度的一種標准。