CN106610361A - 材料硬度统一对比研究方法及其使用的硬度计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种材料硬度统一对比研究方法及其使用的硬度计，其属于工程力学基础理论与应用技术以及仪器仪表制造研究领域。其方法为，不同测试应力下同一个材料的硬度之间的相互换算关系式为：σ_max＝T₁σ₁＝Tσ，即其硬度计包括，作用学硬度计和作用学锤击硬度计。本发明的有益效果是：基于作用学新理论，解决了现有硬度测试数据统一性、可对比性差方面的问题，为基础理论科学、基础理论应用科学、工程材料性质科学的发展与完善拓宽了道路，使得硬度测量工具制造工业得以进一步完善与发展。

Description

材料硬度统一对比研究方法及其使用的硬度计

技术领域

本发明涉及一种材料硬度统一对比研究方法及其使用的硬度计，其属于工程力学基础理论与应用技术以及仪器仪表制造研究领域。

背景技术

2013年8月26日产生的专利号为ZL2013103851487的发明给出了测定岩石硬度的一种新的理论公式、方法与仪器。其公式为T＝(Δt₁/Δt)100％。式中，T表示被测试材料的硬度；Δt表示标准硬度矿物(最硬矿物)等厚度钻透时间；Δt₁表示被测岩石的等厚度钻透时间。同时给出了确定参数Δt的一种方法：选定一种已知硬度的矿物，将其切磨成标准厚度切片，用测试硬度的电钻将其钻透，获得穿透时间Δt₁，然后根据公式来获得Δt值。但是，该发明对硬度数据的统一性问题研究较少，对硬度数据的对比方法研究不足，并且不涉及其它具体的硬度测试方法，不适用于金属和其它非金属硬度的测试，实用转化意义不大。

其他现有传统硬度测试方法大部分存在理论缺陷，公式不正确，导致测试结果不正确、适用范围狭窄，产生了统一对比性问题。例如，洛氏硬度计的基本公式是T＝N-h/S，到目前为止，由该公式产生了3个派生的定式：

当测得某个试件的压入深度为h＝0.2时，根据公式T＝100-h/0.002来计算，结果是T＝100-0.2/0.002＝0，如果根据公式T＝130-h/0.002来计算，则T＝130-0.2/0.002＝30；如果根据公式T＝100-h/0.001来计算，得出来的结果是T＝100-0.2/0.001＝-100；而实际上这个被测试材料的硬度应该是T＝20。因此，三个定式都不正确。当变形量大于0.2时，用公式T＝100-h/0.002来计算，得出来的洛氏硬度值是负数。可见，洛氏硬度在理论上就明显错误。洛氏硬度实际上在理论上对硬度数值进行了如下标定：硬度为T＝20的材料，其洛氏硬度为T_RA＝0，其误区很大。目前人们都认为：洛氏硬度的适用范围是20～70。其实这是错误认识。公式不正确，测试结果数据错误，何谈统一性、可对比性、适用性、精确性？

当前的硬度公式中的参数，大多数都被确定为定参数，并且，这种定参数在任何条件下也都不是正确的。总之，当前硬度理论与测试方法以及测试结果都存在统一性、可对比性不足的缺陷。

现有硬度计已经经历了很长时间的实物生产与使用实践，就具体选用的测试办法而言，已经具备了科学性。也就是说，现有硬度计借助于作用、使试件变形的方法来测试硬度的办法是没有错的。但是，现有硬度测试方法与硬度计存在重要不足：对硬度概念的认识缺乏科学性；使用的硬度计算公式存在错误或存在不足问题；有的硬度计采集的、用于硬度计算的数据存在不科学性，如用对角线、变形面积计算硬度，都不能获得正确的硬度数据；在硬度测试中使用模块、大致确定材料硬度的思想方法和实测方法不正确。

基于当前硬度理论在硬度数据统一性方面研究的不足和硬度对比方法研究较少的不足以及具体硬度测试中硬度数据确定的模糊性方法的不足，本发明提出并解决了材料硬度数据统一性和对比性研究方法问题，为硬度测试理论与应用方法的完善进一步奠定了基础。

发明内容

本发明针对目前硬度理论与测试方法以及测试结果存在统一性认识不足和可对比性差的缺陷，提供一种材料硬度统一对比研究方法及其使用的硬度计。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种材料硬度统一对比研究方法，根据作用学理论可知，材料在不同测试应力作用条件下的硬度数值不同，但是，材料的极限承载应力是一种不因测试应力σ大小变化而改变的固定值，即σ_max＝Tσ；由此可知，在不同测试应力下同一个材料的硬度之间的相互换算关系式为：

σ_max＝T₁σ₁＝Tσ，即

式中，σ表示第一种测试应力，即标准测试应力；T表示在测试应力σ下获得的硬度数据，即作用学硬度；σ₁表示第二种测试应力；T₁表示在测试应力σ₁下获得的硬度数据。

洛氏硬度与作用学硬度可通过一个调整系数来建立统一关系，即洛氏硬度与作用学硬度之间的关系式为

式中，T表示作用学硬度；H_R表示洛氏硬度；h表示塑性变形压痕深度；分母中的0.002(毫米)是每洛氏硬度单位对应的压痕深度；b表示新发明的作用学硬度与洛氏硬度之间的互换系数。

材料硬度统一对比研究方法所使用的作用学硬度计，包括带有扳机的枪体，在枪膛的后部设有由扳机控制的弹簧和弹簧锤，前部设有通过约束体安装的探杆；在所述探杆上通过连杆和曲轴设置可安装变形表的变形表针旋转轴甲。

材料硬度统一对比研究方法所使用的作用学锤击硬度计，包括带有开关按键、数显屏和底盘的壳体，在壳体内部由上而下依次设有重锤提升器、由约束筒安装的重锤、由曲轴安装的变形表针旋转轴乙、试件托盘和托盘升降杆；在变形表针旋转轴乙上设有变形表、一侧设有传感器；所述约束筒的高度为35cm，即重锤的下落高度为35cm；所述托盘升降杆为螺旋杆结构。

本发明的有益效果是：基于作用学新理论，解决了现有硬度测试数据统一性、可对比性差方面的问题，为基础理论科学、基础理论应用科学、工程材料性质科学的发展与完善拓宽了道路，使得硬度测量工具制造工业得以进一步完善与发展。

附图说明

图1为材料硬度与作用强度之间的关系曲线示意图；

图2-1为大应力作用下测得的硬度-应变关系曲线图；

图2-2为小应力作用下测得的硬度-应变关系曲线图；

图3为本发明硬度曲线与洛氏硬度曲线对比图；

图4为作用学硬度计结构示意图；

图5-1为作用学硬度计的变形表工作原理图；

图5-2为作用学硬度计的变形表的变形量与表针指数增量关系；

图6为作用学锤击硬度计工作原理示意图；

图7-1为作用学锤击硬度计的变形表工作原理图；

图7-2为作用学锤击硬度计的变形表的相关量关系示意图。

在图4中，1枪膛；2、弹簧；3、枪体；4、弹簧锤；5、扳机；6、约束体；7、曲轴；8、连杆；9、变形表针旋转轴甲；10、探杆。

在图6中，11、重锤提升器；12、开关按键；13、重锤；14、约束筒；15、曲轴；16、变形表针旋转轴乙；17、数显屏；18、传感器；19、变形表；20、试件托盘；21、托盘升降杆；22、底盘。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

一、材料硬度统一性规律认识和可对比性研究方法

1、解决硬度统一规律认识问题

A、正确认识硬度与作用之间关系的一般规律

根据作用学理论与实验证明：材料往往在不同作用条件下显示不同硬度。对于具有一定可塑性特点的材料，其硬度变化有较大范围。一般来说，当测试应力小于极限应力时，材料的硬度保持为100；当测试应力超过极限应力时，材料的硬度随着应力的增大而减小。

任何材料的硬度都不是恒定不变的值，而是一种具有很强的变化性的变量。首先，硬度随着作用强度即应力的变化而变化。当作用应力很小时，材料的硬度等于100％，作用不能使材料产生任何变形；当应力增大到一定程度数值时，材料开始产生一定量的变形，材料的硬度就小于100％；应力越大，材料的硬度越小。若连续变更施测作用应力，那么，被测材料的硬度会有连续变化硬度数值产生，如图1所示。其次，施测材料的硬度对硬度测试结果也产生直接影响。若施测材料过软，被测材料过硬，即被测材料的硬度大于施测材料的硬度，那么，通过实测获得的材料硬度值将会很大。第三，作用方式不同，材料的硬度也会有所不同。第四，材料的硬度还随着温度的增大而减小。同一个试件，用不同强度的作用来测试，可以得到0～100标尺范围内中的任意一个数。也就是说，同一个试件的硬度数值可以很多，而不是不可改变的常数。

材料硬度是一种变量，用不同的作用应力、不同施测材料测定同一个材料的硬度会获得不同硬度值，要通过测定获得统一可对比的硬度数值，就必须确保测试硬度的作用应力相同，作用方式相同，施测材料尽量选择硬质、相同的。

B、正确认识材料硬度统一标准

统一是一种自然规律。然而，任何一种材料都可以因测试力的不同而产生不同的硬度数据，所以，自然界中不存在统一的硬度标准。因此，要想确定一种具有统一性的硬度数据，就必须人为规定一种标准的作用强度，在该标准作用强度下即在规定的标准的测试应力下所测得的硬度数据才能具有统一性规律。

然而，由于硬度测试往往受条件限制，不能采用统一的测试力。因为，对于较软材料来说，若测试力过大，将会导致较大的变形量产生，不便于用于成品试件的测试；而对于较硬质材料而言，若测试力相对较小，测试结果将不产生变形，无法获得正确的硬度数值。为了解决这个问题，需要采取一种硬度数据相互换算的办法。

C、正确认识不同测试力下测得的不同硬度数据之间的关系

ⅰ、不同测试力下的硬度数据具有独立性

在不同测试力作用下，不仅任何一种材料的硬度数值不同，而且其计算硬度公式中的参数取值也是不同的。这反映出不同应力下硬度数值具有独立性的规律。因此，随着应力的改变，计算硬度公式中的参数相应需要调整。

发明专利2013103851487给出来的硬度计算公式T＝(Δt_i/Δt)100％和发明专利发明专利201610301680X给出的硬度计算公式T＝(1-x/l)100％中的Δt和l一般可被视为参数。当测试应力由σ改变为σ₁时，测得同一个材料产生相同变形量所需要的时间由Δt₀变为Δt₁；测得同一个材料在相同时间内产生的变形量由x₀变为x₁；相应的参数由Δt变为Δt′、由l变为l′；相应的硬度值则由T₀变为T₁，硬度计算公式分别为

T＝(Δt₀/Δt)100％和T₁＝(Δt₁/Δt′)100％

或T₀＝(1-x₀/l)100％和T₁＝(1-x₁/l′)100％。

那么，参数Δt′和l′是怎样确定的呢？与确定Δt和l的参数确定方法相同，仍然选择同样一个已知硬度的材料，测试其等变形量所需要的变形时间Δt₁′和其在等时间内产生的变形量x′，然后，将已知硬度材料的硬度值T₀、已知硬度材料产生一定变形量所需要的作用时间Δt₁′代入公式T₀＝(Δt₁′/Δt′)100％，通过计算得到参数Δt′＝(Δt₁′/T₀)100％；将已知硬度T₀、已知硬度材料在一定作用时间产生的变形量x′代入公式T₀＝(1-x′/l′)100％，通过计算得到参数l′＝100％x′/(100％-T₀)。当参数Δt′或l′数据获得以后，便可测定各种材料在应力σ₁作用下表现出来的硬度数值。

例如，已知标准硬度材料的硬度为T₀＝50，在压入力P的压入下产生了一个压入变形量x＝0.0125值，根据公式

T＝(1-x/l)100％

得

当压入力为时，用其对已知硬度为T₀＝50的试件进行测试，得出来的变形量是x＝0，所以，其硬度变为T₀′＝100。即T＝(1-x/l)100％＝100％。为什么呢？因为，应力变小，不仅变形数据和硬度数值相应发生变化，而且计算参数l值也相应发生变化。这反映出了不同作用条件下硬度与作用、变形之间的关系规律发生改变的客观规律。计算参数的改变反映不同作用条件下硬度计算公式和硬度数据的独立性。那么，应该怎样确定其相应的参数呢？

选择在大测试力下测得硬度为T₀′＝5的材料，用之作标准硬度材料，在小的测试力下对其进行硬度测试，获得变形量x′＝0.1125；由于测试力减小一半，变形量也相应减小一半，所以，大应力下的变形数据2x′＝2×0.1125＝0.225对应的硬度值T＝10是小应力下变形数据x′＝0.1125对应的硬度值T＝10。因此，根据公式T＝(1-x/l)100％，可通过计算获得改变测试力后的参数l′值。即

l参数还可以通过另一种实验方法来获得：用空间作试件，其硬度为T＝0，用硬度测试仪对空间进行作用，然后直接测得探头在特定测试力支配下在特定时间内的伸长量x值，这个x就等于l。即，根据T＝(1-x/l)100％，得

0＝(1-x/l)100％，0＝1-x/l，x/l＝1，x＝l。

由于探头在特定测试力驱使下在特定时间内的伸长量为l，使l构成了被测试材料的极限变形量，从而决定了最软材料的变形量也不会大于l值，所以，使用作用学硬度计算公式T＝(1-x/l)100％来计算硬度永远不会得出小于0的硬度数据，这是作用学硬度理论与洛氏硬度理论差别的一种体现。

硬度计算公式中的参数l值是有客观含义的。其中，l值是指测试工具即探头在特定作用下在特定时间内能够产生的极限位移量，并不是任意通过实测方法或思维观念确定的参数。

作用学硬度可以用小数、百分数、千分数、万分数来表述，但不能用整数来表述。由于人们习惯用整数，所以，作用学硬度选择取百分数中的整数作为硬度数值，也可用千分数中的整数作硬度数值。

总之，不同测试应力下，材料的硬度计算公式是独立的，计算参数是独立的，硬度取值与标尺是独立的。在不同测试应力下测得的硬度数据不能直接进行对比，必须经过换算以后才能进行对比。

ⅱ、不同测试作用下硬度数据的统一性研究方法——硬度换算公式

不同测试力作用下材料的不同硬度数据之间的统一性主要体现在它们之间具有相互对应的互相换算关系上。根据作用学理论，可推导出不同测试应力下同一个材料的不同硬度数据之间的相互换算方法如下：

材料在不同测试应力作用条件下的硬度数值不同，但是，材料的极限承载应力是一种不因测试应力σ大小变化而改变的固定值，即σ_max＝Tσ。根据这个规律可以推导出不同应力作用条件下的硬度之间的相互换算关系式为

σ_max＝T₁σ₁＝Tσ。即

式中，σ表示第一种测试应力，即标准测试应力；T表示在测试应力σ下获得的硬度数据；σ₂表示第二种测试应力；T₁表示在测试应力σ₁下获得的硬度数据。

换算方法举例：

如表1中给出来的数据，在大应力σ下测得的硬度为T＝5，而在小应力下测得的硬度为T₁＝10，两个数据不等，但二者之间具有对应关系

表1不同应力下测得的硬度数据对照表

[表中数据取自实验和作用学硬度计算公式之一的计算结果]

如果材料在小的测试应力下测得的硬度是T₁＝80，那么，该材料在大的测试应力σ下测得的硬度应该是多少？根据换算公式，得

可见，材料在不同应力下测得的硬度数据差别是很大的，但它们之间也具有统一性和可对比性——经过换算后可以进行对比。

总之，不同测试应力条件下材料的硬度数值不同，但各个不同硬度值之间具有相互统一关系规律，可互相换算。若测试结果与这种统一关系规律不符，那就错了。

D、不同材料、不同应力下的硬度统一研究与对比方法

不同材料的硬度统一与可对比性，决定于是否是在相同作用条件下测得硬度数据。在相同作用条件下测得的硬度数据具有统一性和可对比性：硬材料硬度大；软材料硬度小；各种硬度数据可以直接相比较。但是，在不同应力下测得的硬度数据不能直接进行对比。例如，在100公斤测试力下测得某材料的硬度是T₁₀₀＝80，在60公斤测试力下测得另一个材料的硬度是T₆₀＝80，那么，不能认为这两种材料的硬度相等，实际上它们的硬度是不相等的。因为，在60公斤测试力下测得的硬度值80与在100公斤测试力下测得的硬度值

相当。因此，不同应力下测得的硬度数据不能直接进行对比，必须通过换算以后才能相互对比。

如图2所示，不同测试应力条件下测得各种材料的硬度-变形关系曲线之间具有相似性。但是，测试应力小，所能测得的硬度范围小。即，小的测试应力只能测试较软材料的硬度，对于较硬材料的硬度没有区分性。如表1所示数据，用很大测试应力测试，自然界中的各种不同材料的硬度变化范围是0～100％，但用一个较小的测试应力来测试，所能区分的硬度数据被限定在一定区间范围内：T[0，50]。当材料的硬度大于50时，在这个较小的测试应力下就无法测试了。但是，用小应力来测硬度，获得的硬度数值在百分尺上标定的也是介于0～100之间的数，这些数与大应力下测得的硬度数之间并不对应，需在换算基础上进行对比。

F、新发明作用学硬度数据与传统硬度数据的互换方法

各种传统硬度测试方法产生了许多不同硬度数据，在实践中人们对这些硬度数据也进行了大量的统一与对比性研究。但是，这种对比是在没有确切的硬度理论、没有硬度统一基本规律做尺度情况下进行的，结果始终得不到应有的数据对比结果。根据作用学，应变与硬度之间的关系是一种反比例关系，即，在一定应力作用下，材料的应变越大，其硬度值越小；反之，应变越小，硬度越大。传统硬度测试方法一般不能确定这种关系规律，其硬度数据也经常不符合这种客观规律，其本身的科学性和可对比性就很差，其统一性、可对比性差。在传统硬度测试数据中，虽然有些硬度数据貌似具有科学性，如洛氏硬度数据，能在一定程度上体现硬度特点，但实际上却不能确切反映硬度规律。新发明的硬度理论及其硬度测试方法有着坚实的理论基础，有着硬度统一基本规律做尺度，新产生的硬度数据具有准确性，能够确切体现硬度规律，为硬度数据统一对比研究奠定了坚实的基础。

表2是通过实验获得的洛氏硬度数据和新发明的作用学硬度数据，两种数据形成了鲜明的对比，人们可以直观地确定哪些数据是错误的，哪些数据是正确的。很显然，表中为负数的洛氏硬度是错误数据，与作用学硬度相差很大的洛氏硬度数据是错误数据，与作用学硬度数据接近的洛氏硬度数据是接近正确的洛氏硬度数据。从表2中数据可以看出，洛氏硬度数据正确的不多，接近正确的也不多。材料越软，洛氏硬度数据误差越大。

从图3中的两种曲线对比也可以清楚看出：除了硬度最大材料的洛氏硬度值是正确的以外，其它洛氏硬度数据都不正确。材料越软，其洛氏硬度值的误差越大。

由于传统硬度数据的误差如洛氏硬度数据的误差产生于其基本理论，来自于其计算公式的不科学性、错误性，所以，这些数据与正确的硬度数据之间不存在统一性，没有可对比性。但是，如果配置一个修正函数，用于修正传统硬

表2新发明硬度与洛氏硬度数据对比表

[表中数据取自实验和作用学硬度公式、洛氏硬度公式的计算结果]。

度数据错误，经过修正后就可以得到正确的硬度数据，就可以与作用学硬度数据具备统一性，就可以进行对比了。经分析，洛氏硬度与作用学硬度可通过一个调整系数来建立统一关系，即洛氏硬度与作用学硬度之间的关系式为

式中，T表示作用学硬度；H_R表示洛氏硬度；h表示塑性变形压痕深度；k是规定的常量；分母中的0.002(毫米)是每洛氏硬度单位对应的压痕深度；b表示新发明的作用学硬度与洛氏硬度之间的互换系数。

有些硬度，其计算公式没有接近科学的特性，所以，其硬度数据与正确的硬度数据更没有可对比性，也没有可以互相换算关系。因此，这些硬度数据需要淘汰。

G、不同作用方式条件下的硬度数据统一和可对比性研究方法

不同度量方式是指硬度数据在取值上采用不同方式。例如，前面提到的两个发明给出的两种公式

T＝(Δt_i/Δt)100％和T＝(1-x/l)100％，

其对硬度的定义和取值是不同的。再如，用弹跳高度来计算硬度的新发明公式是

式中，H表示标准硬度试件使冲击探测物产生的反弹高度，标准硬度试件是指用最硬的材料制作成的试件，其硬度值是T＝100％；h表示普通试件使冲击探测物产生的反弹高度；l是参数，需要通过实测来获得。用冲击法探测时计算硬度的这个公式在取值上也有所差异。对于这些来自探测方法、计算公式、硬度定义和取值方面的差别，所测硬度值或多或少都会产生差异。如果同一种材料在不同作用测试方式、不同计算公式下产生了不同硬度数据，那么，其主要原因在于作用应力有所不同。为了确定其统一规律、便于数据对比，这些不同数据之间必须进行相互换算。其换算公式的一般形式为

T₁＝cT₂。

式中，T₁和T₂分别表示同一个材料在不同测试方式、不同计算公式下产生的两个硬度数据；c为两者之间的相关系数，一般为常数，静力测试条件下c＝σ₂/σ₁。

二、一种简易作用学硬度计

如图4所示，简易作用学硬度计是用弹簧加载探针的一种硬度测试仪，其工作原理：探头与试件接触，弹簧产生弹性恢复力F，F驱动铁锤运行，铁锤锤击探杆，使探头对试件产生作用、生成变形量x，如图4所示。根据硬度与变形之间的关系式

通过计算可以获得被测材料的硬度。

为了读取变形数据，在探测仪表面安装一个探针位移数据表，即变形位移表，上面标有刻度。表针上的读数是表针旋转产生的弧度数，记为α。如图5所示，变形量x与弧度α之间的关系式为

x＝bα。

由于表针指数增量为L＝Rα，所以，因此，硬度计算公式为

弹簧是可以根据需要更换的多型号部件，可以产生不同大小的弹簧加载力。测量软材料的硬度，选择较小的弹簧加载力；测量硬材料选择较大的弹簧加载力。一种弹簧能测定的材料是有限几种，必须根据需要进行更换。当然，弹簧的适用范围也不同，弹力大的适用范围大。弹簧使用期限需要根据弹簧的使用状况来确定。由于长时间使用，弹簧弹力会明显变小，为了不影响测试精度，在弹簧弹力明显变小前予以更换。由于产生不同弹力的弹簧根据需要更换，测试力经常改变，所以，要保证硬度数据的统一与可对比性，必须对测试结果进行统一换算处理。

探针由硬质的高碳钢、合金钢、金刚石制成。测定软金属和软质的非金属材料的硬度，可用高碳钢探针和硬质的合金探针；测定较硬金属和非金属材料的硬度，用金刚石探针。原则是探针的硬度必须远远大于被测材料的硬度。

探针的形状是锥形，形似锥子，锥尖锋利，锥杆圆柱形，锥杆直径2毫米。

公式中的参数l值等于探针在弹簧驱动下自由运行的位移，即在没有被测试试件条件下探针在弹簧驱动下在特定时间内产生的位移，叫应有位移或无阻位移。每更换一次弹簧，都需要确定其相应的参数。

三、作用学锤击硬度计

如图6所示，一种作用学锤击硬度计，由电磁场提供提升动力，将重锤提升到离探杆上端0.35米的高处。探杆下端的探头由硬钢、合金、金刚石材料制成。当探测软质金属和非金属材料的硬度时，可用钢制或合金探头；当探测硬度较大材料的硬度时，用金刚石制成的探头。探头形状为圆锥形，头尖；探杆为圆柱形，直径可以略粗；从探头尖端到探杆之间逐渐过渡。测试前，先将试件放置到试件托盘上，再通过螺旋升降机将试件提升至适当位置，让探头与试件直接接触。调整好以后，按动电钮断开电源，让重锤自动落下，直接锤击探杆，使探头作用于试件，令试件产生一个楔入变形深度。提供动力的电磁线圈也可以升降。完成锤击作用后，电磁场线圈在电动控制下下移，然后通过电磁吸力将重锤吸住并提升、固定到初始位置。

探杆与楔入变形位移表指针通过曲轴、联杆相联。当探杆在锤击下位移时，曲轴和联杆直接带动指针旋转，指示探杆向下位移的产生的弧度，如图2所示。探杆位移即探头位移是x值，联杆绕O点旋转产生α角，带动位移表指针绕O点旋转α角，从而产生小弧长s＝αr和表盘大弧长L＝αR。据研究得知，x＝αb。b为点Q绕动点P旋转产生的圆弧半径，b就是曲轴的长度；r是联杆的长度；R是表盘半径。x、s和L三者之间的关系：

在表盘上读取的数据是指针旋转的弧度，不等于变形位移量，也不等于指针旋转产生的表盘弧长。然而，指针旋转产生的弧度α是一个有用数据，可用于变形量计算，即，

在取得变形数据x基础上，可以直接根据硬度计算公式

来计算被测材料的硬度。式中，T表示材料的作用学硬度；l表示标准硬度试件在锤击作用下产生的楔入变形深度；标准硬度试件是用一种硬度值被公认的材料制成的试件，其硬度值被视为已知量；x是被测试材料或试件在锤击下产生的楔入变形深度。

为了方便实际使用，在该发明硬度计上直接安装传感器、计算软件和数显屏。传感器用于采集变形数据并将数据输送到计算器；计算软件根据公式编制好的程序直接计算硬度数据，然后通过显示屏显示出来。

由于硬度较大的材料在较小的测试力作用下变形量往往很小，直接测试其变形量很困难，所以，在硬度计制作中经常利用杠杆原理进行放大处理和变形表显示处理。事实上，通过曲轴转化也可将变形量直接放大，并通过变形位移表显示出来。压入法、楔入法等产生的变形量均可以采用这种方法测量变形量，并通过变形表给出读数。

重锤下落距离是0.35米，冲击作用时间是瞬间，需通过试验测定获得。重锤质量为1kg、2kg、3kg、……、不等，需根据具体测试材料的性质确定。对于软材料采用质量较小的重锤锤击，硬材料则采用重量较大的重锤锤击。

由于同一种材料的硬度值随作用强度的增大而减小，并且，变形量x值和参数l值都随着探测作用力的大小改变而改变，从而使不同锤击作用力下获得的硬度数据产生了没有统一性和不可对比性问题。要解决此问题，需要通过实验确定不同锤击力下公式中参数的不同l值，并且需要通过不同硬度值之间的互相换算公式来进行换算。不同锤击力(不同重锤重量)F₁、F₂下测得的硬度T₁和T₂之间的关系公式为

所以，要获得统一可对比的硬度数据需要进行换算。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种材料硬度统一对比研究方法，其特征在于，根据作用学理论可知，材料在不同测试应力作用条件下的硬度数值不同，但是，材料的极限承载应力是一种不因测试应力σ大小变化而改变的固定值，即σ_max＝Tσ；由此可知，在不同测试应力下同一个材料的硬度之间的相互换算关系式为：

即

式中，σ表示第一种测试应力，即标准测试应力；T表示在测试应力σ下获得的硬度数据，即作用学硬度；σ₂表示第二种测试应力；T₁表示在测试应力σ₁下获得的硬度数据。

2.根据权利要求1所述的材料硬度统一对比研究方法，其特征在于：洛氏硬度与作用学硬度可通过一个调整系数来建立统一关系，即洛氏硬度与作用学硬度之间的关系式为

$T=H_R+\frac{bh}{0.002(0.002+b)}$

式中，T表示作用学硬度；H_R表示洛氏硬度；h表示塑性变形压痕深度；分母中的0.002(毫米)是每洛氏硬度单位对应的压痕深度；b表示新发明的作用学硬度与洛氏硬度之间的互换系数。

3.一种如权利要求1所述的材料硬度统一对比研究方法所使用的作用学硬度计，其特征在于：包括带有扳机的枪体，在枪膛的后部设有由扳机控制的弹簧和弹簧锤，前部设有通过约束体安装的探杆；在所述探杆上通过连杆和曲轴设置可安装变形表的变形表针旋转轴甲。

4.一种如权利要求1所述的材料硬度统一对比研究方法所使用的作用学锤击硬度计，其特征在于：包括带有开关按键、数显屏和底盘的壳体，在壳体内部由上而下依次设有重锤提升器、由约束筒安装的重锤、由曲轴安装的变形表针旋转轴乙、试件托盘和托盘升降杆；在变形表针旋转轴乙上设有变形表、一侧设有传感器。

5.根据权利要求4所述的材料硬度统一对比研究方法所使用的作用学锤击硬度计，其特征在于：所述约束筒的高度为35cm，即重锤的下落高度为35cm。

6.根据权利要求4所述的材料硬度统一对比研究方法所使用的作用学锤击硬度计，其特征在于：所述托盘升降杆为螺旋杆结构。