硬度测量方法图解

Ⅰ 怎样测量物体的硬度

果肉硬度是衡量鲜果品质和贮藏性状的重要指标。果实随着成熟度的提高，果肉逐渐变软，耐压力也随之下降，果实硬度计正是根据这个原理，通过测定果实耐压力的大小来判断果实的成熟度的。这个耐压力就是通常我们所说的果肉硬度。法定计量单位为Pa。

图7-1 GY-1型果实硬度计

目前国内常用的果肉硬度测定仪是GY-1型。

在测量果实硬度前，先将果实表皮用刀削去1～2cm²，每个果实测相应的2～4个点。GY-1型果实硬度计在使用时要先按动回零滚动花帽钉，使指针复原，然后转动表盘，使指针指在2kg的位置，即可开始测定。将硬度计的压头压入果肉至刻度线，这时表针所指的刻度线即为果肉的硬度。

测定结束后，需用蒸馏水清洗仪器上所粘污的果汁，并用干绒布擦净保存，以防生锈。

Ⅱ 压入硬度的测定

根据压锥（或压痕）的形状显微压入硬度可分三种：用硬质合金制成的球体测出的硬度称布氏硬度；用金刚石制成的正方形锥体测出的硬度称维克硬度；用金刚石制成的菱形锥体测出的硬度称诺普硬度。矿物学的研究中，通常是测试矿物的维克硬度。测定时，加一定负荷（砝码），将锥体压入矿物表面，形成一永久性压痕。由于压痕侧面积（或深度）与负荷成正比例关系，在负荷固定的情况下，压痕侧面积与矿物硬度成反比例关系。即压痕侧面积越大时，矿物硬度越低，反之，矿物硬度越高。若保持压痕大小基本不变，则可通过改变负荷来测定。矿物的压入硬度与负荷和压痕侧面积三者之间的关系式如下：

矿相学

式中：H为压入硬度（kg/mm²）；P为负荷重量（kg）；S为压痕侧面积（mm²）。

目前国内外用于显微压入硬度测定的压锥，主要是用维克（Vicker）压锥（图8-2a），或者用诺普（knoop）压锥（图8-2b）。前者测得的硬度用H_V 或VHN表示，后者用H_K或KHN表示。

图8-2 维克与诺普压锥及其压痕形状

图8-3 维克压头及其压痕面积展开示意图

维克压锥相对斜面间夹角为136°（图8-2a），压痕投影呈正方形（图8-2a），实际压入面积应以锥体的总侧面积S＝4f计算。f为每个三角形压面的面积，a为正方形压痕的边长，即每个三角形压面的底边长，h为三角形压面的高，d为压痕投影对角线长（图8-3）。这样公式（8-1）可以演化为：

矿相学

单位为：千克/平方毫米（kg/mm²），即P以千克（kg）、d用毫米（mm）计算。

诺普压锥体相对两面夹角分别为130°和172°30′，压痕投影为长菱形（图8-2），其硬度计算公式为：

矿相学

所用符号意义与（8-2）式相应，仅d为长对角线长度。

两种压锥相比较，诺普压锥的压痕对角线较长，压痕深度较浅，因此对于测定硬度异向性和厚度较小的矿物有利；维克压锥的压痕为正方形，用其测定晶体不同方向的硬度时，较易获得平均值，数据也较稳定。

一、显微硬度仪的构造

显微硬度仪按安装方式可分两类：一类是压锥与物镜分离式，如苏式ПMT-3型及我国上海产71型显微硬度仪；另一类是压锥与物镜一体，如联邦德国产附在ORTHOPLAN型及ORTHOLUⅡPOL-BK型矿相显微镜上的自动显微硬度计。

1.国产71型显微硬度仪

由测微反光显微镜、载物台和负载装置等部件组成。测微反光显微镜在左半部，由测微目镜、物镜等组成，用于选择矿物，确定欲测部位和测量压痕对角线长度。载物台安装在可升降的立轴上，可以作上下、左右和前后移动，以便准焦欲测部位和调节压痕位置等。负载装置位于右半部，拨动手轮，可变换使用不同重量的砝码（P）。压锥为金刚石正方形锥体（维克压锥），被固定在保护套内。

2.联邦德国自动显微硬度计

主要部件为自动负荷选择器、压锥、压头、微尺目镜和砝码等（图8-4）。

自动显微硬度计装在ORTHOLUXⅡPOL-BK型显微镜上者如图8-4 a。其自动负荷选择器如图8-4b、c，当选定所需负荷及加压时间后，调节其上各种旋钮，可自动控制加压速度和时间，并以指示灯给出信号。压锥有维克和诺普两种，可自由选择，压头可与镜筒相连（图8-4d），便于观察和测试。通过转动微尺目镜的旋钮测量压痕对角线长度（d）。砝码有5 g、10 g、25 g、50 g、100 g、200 g、400 g七种，使用前须经标定天平校正，各种砝码不能组合使用。

二、测量方法

1.国产71型显微硬度仪的测定方法

将欲测矿物置于物台上，向左推使物台位于显微镜下方，转动物台手柄，使光片准焦，然后调节左右和前后旋钮，使欲测部位居中。轻推物台向右，使欲测部位恰好位于压锥下方。旋动压锥升降旋钮，徐徐下降，当红灯明亮时即开始加压，一定时间后（选定的时间，15 s为宜），绿灯明亮，则加压结束（红绿灯交替时间可由旋钮控制）。提升压锥卸荷，将物台重新推至左端，在反光显微镜下测量压痕对角线长度。

图8-4 硬度计示意图

1—测试负荷的支柱；2—气泡水准；3—负荷期间指示灯；4—按钮帽；5—启动按钮；6—调节栓；7—断路按钮；8—负荷数调整按钮；9—泵工作期间调节钮；10—主（转换）开关；11—主报警灯；12—调平螺旋；13—测尺照明器插口；14—调压管接口；15—主电缆；16—插座；17—压头压力管的接口；18—观测物镜；19—盖帽（保护罩）；20—金刚石压锥；21—中心校正螺丝；22—弹性轴；23—压力管接口

测量时，首先调节显微镜视域中心与压痕中心重合，可扭动物台前后和左右旋钮，使其重合。然后利用鼓轮移动测微目镜中的十字丝（图8-5 十字丝从a移至b）量出压痕对角线格数，将格数乘以格值（格值由说明书中查出），换算成毫米，然后将给定的P和d值代入公式（8-2），即可求出H_V。

图8-5 压痕对角线长度测量示意图

2.联邦德国自动显微硬度计的测定方法

操作程序是先将微尺目镜装入镜筒中，再把物镜、压头和金刚石压锥一起旋入镜筒下端镜头接口中，调节压头中心使之与物镜视野中心一致。准焦欲测矿物后，即可选择负荷及加压时间，再转动弹性轴，使金刚石锥按箭头方向转入光路。开始加压时红色控制针指示泵马达正在运转；指示灯明亮，同时泵自动关闭。在规定的加压时间完成后，指示灯熄灭，控制针复原。然后按箭头方向转回弹性轴，使观察物镜转入光路。

测量对角线长度时，调节微尺目镜上的校正螺丝，使目镜十字丝中心对准压痕中心。然后转动物台活动旋钮，使压痕对角线一端对准标尺零点（图8-6a），竖尺读数为075～100之间，再将另一端下移至075处（图8-6b），从横尺上读出另一读数为12.5，将两数相加（75＋12.5＝87.5格）即为压痕对角线长度。欲求另一对角线长度时，将微尺目镜向右转动90°后，重复前法测量。将两对角线长度相加平均，得出d。根据d和所加负荷P代入公式（8-2），即可求出H_V。若采用诺普压锥时，测量方法与上相同，测出长对角线长度（图8-7），代入公式（8-3），即可得出H_K。

图8-6 维克压痕对角线长度的测量

图8-7 诺普压痕长对角线长度的测量

三、测量注意事项

1.校正硬度值

在使用71型显微硬度仪测量矿物之前，可用仪器所附的标准块（多选用石盐晶体的解理面作标准）进行标定。作法是用5g负荷，用维克压锥连测4次～6次，若计算其硬度值均在20 kg/mm²～23 kg/mm² 范围内，则被认为仪器已校正好。此时的压锥与矿物光面的距离为标准距离。如果所测结果不在20 kg/mm²～23 kg/mm² 之内，则应调节压锥的高低位置后重测，直至符合要求为止。

2.压痕与矿物颗粒大小

所测矿物的颗粒不能太小，压痕对角线长度不应大于被测矿物粒径的1/4，两次测试的压痕间距要超过压痕对角线长度的三倍以上。压痕深度要小于被测颗粒厚度的1/10。同一种矿物要测10个以上压痕。

3.负荷选择

图8-8 几种常见矿物的维克硬度值与负荷的关系

根据硬度理论公式，矿物的硬度与测定时的负荷大小无关，然而在实际测试中却往往出现误差。绝大多数矿物随测试负荷减小而出现硬度值偏大的趋势（图8-8）。其原因主要是由于矿物磨光面在抛光过程中产生一非晶质较高硬度薄膜，负荷较小时这一薄膜对矿物硬度的歪曲越明显。再者压痕产生后由于弹性复原，造成压痕对角线收缩，对于可塑性大的矿物和压痕对角线过小时，将会造成较大误差。因此对于脆性矿物可适当减小负荷，对可塑性矿物则一般采用大负荷，按国际矿相学委员会建议，一般采用100 g负荷。在测试硬度时，要注明所采用的负荷重量，以利于对硬度值的选择和对比。

4.加压时间

硬度计算公式中虽然没有时间因素，但在实测中，压锥与矿物接触的时间长短，也会造成压痕大小变化。加压时间越长，压痕也逐渐增大。这是由于矿物的可塑性引起的，因此，为了求得标准硬度值，按国际矿相学委员会规定，加压时间为15 s。

5.压痕对角线测量精度要求

实测矿物硬度值主要取决于压痕对角线长度。而压痕对角线长度除必须提高测量精度外，还有压痕规整程度、光源波长、物镜分辨率、焦深范围等外在因素均影响压痕对角线长度测量的精度。为了克服上述因素造成的误差，尽量使压痕足够大，一般不宜小于20μm，才能保证硬度值误差在5%以内。

6.震动误差

显微硬度仪的灵敏度很高，微小的震动甚至变压器的震动都会影响压痕大小的变化。所以安装仪器必须严格防震，仪器应置于防震桌或水泥台之上，并在仪器座下垫以橡皮垫或海绵垫，以防止震动误差。

7.压痕的形状观察

因矿物的弹性复原、塑性变形、脆性破裂等原因，可使压痕呈现各种形状，即使是等轴晶系矿物，压痕形状也会随不同方位而异。一般可分完整的、轻微破裂的、破裂的、内凹的、外凸的五类。记下这些压痕形状有助于鉴定矿物和对比研究。

四、摩氏硬度与压入硬度的关系

压入硬度值主要表示矿物抵抗塑胜变形的能力，至于弹性、脆性等则居于次要地位。刻划硬度亦表示抵抗塑性变形的能力，但抵抗破裂、剥离及刻划的方向性等因素的影响比对压入法重要。因此两者仅在一定程度上可以类比。

所以摩氏硬度与压入硬度数值并非完全呈线性关系变化，只是同消长关系。

普多芙金娜（И.А.Пудовкина）综合了各家数值，取其平均数，作出了维克硬度值与摩氏硬度数的换算图（图8-9）。

图8-9 维克硬度值（H _V）与莫斯硬度数（H _M）关系图

（据金属矿物显微镜鉴定，1978）

维克硬度（H_V）与摩氏硬度（H_M）之间的线性关系式为：

矿相学

根据上述公式可以大致换算出两者的相当数值。

常见矿物抗磨硬度的相对顺序和刻划硬度及压入硬度的相应关系见表8-1。

表8-1 常见矿物抗磨硬度的相对顺序表（从上至下、自左向右、以递增为序）

注：维克硬度值的右下角数字为所用砝码重量，未标下角数字者一般系使用100 g砝码所测。

实验作业

（1）用刻划法测定矿物硬度

熟悉下列标准矿物的刻划硬度

方铅矿：低硬度，即用铜针能刻动。

闪锌矿：中硬度，即用铜针不能刻动，钢针能刻动。

黄铁矿：高硬度，即用钢针也不能刻动。

测定下列矿物硬度并分级

毒砂、黄铜矿、辉锑矿、铬铁矿、辉铋矿、磁黄铁矿、磁铁矿、斑铜矿、辉铜矿。

（2）用亮线法比较下列矿物硬度的相对大小

磁黄铁矿-黄铜矿；斑铜矿-黄铜矿；方铅矿-闪锌矿。

（3）用压入显微硬度仪侧定下列矿物的维克硬度值（H_V）

闪锌矿、方铅矿、黄铁矿。

Ⅲ 硬度计如何使用

1、压头和试样接触，加载初始试验力，大指针转三圈（小指针到红点）；用手柄加载主试验力，待指针稳定后，用手柄卸载试验力，读取表盘上大指针的位置，比如大指针指在45.5，洛氏硬度即为45.5.

说明书：指针式洛氏硬度计，操作稍微复杂点，分辨率0.5HR。

2、数显洛氏硬度计，如WHR-150、WHR-60D、RTD700.

使用方法如下：

压头和样品接触，力值条到OK（加载初始试验力），主试验力自动加载、自动保荷、自动卸载，液晶屏自动显示洛氏硬度值。

3、自动数显洛氏硬度计RTD710，压头自动下降，自动加载初始试验力和主试验力。

使用方法如下：
一键式操作：当压头顶端与试样距离0.5-1mm时，点击“测试”按钮，压头自动下降，自动施加初负荷和主负荷，自动显示硬度值；

4、全自动洛氏硬度计，具有自动升降功能，

操作方法：

一键式操作：按启动键，工作台自动上升，样品触碰到压头后自动加载，自动卸载，自动显示硬度值。

5、快速洛氏硬度计，测试非常快速，4秒出硬度值。

使用方法：拉动手杆，松开手杆，显示硬度值。（初始试验力和主试验力一起加载）

Ⅳ 维氏硬度测量方法

测量方法：用一个相对面间夹角为136度的金刚石正棱锥体压头，在规定载荷F作用下压入被测试样表面，保持定时间后卸除载荷，测量压痕对角线长度d，进而计算出压痕表面积，最后求出压痕表面积上的平均压力，即为金属的维氏硬度值，用符号HV表示。在实际测量中，并不需要进行计算，而是根据所测d值，直接进行查表得到所测硬度值。
维氏硬度是英国史密斯和塞德兰德于1921年在维克斯公司提出的。表示材料硬度的一种标准。