洛氏的试验机

当春天来临的时候，无论是喜欢还是不喜欢骑自行车的人，都可能在想是不是该买辆新自行车了。这是一个令人兴奋的前景，但也可能让人伤脑筋，尤其是对那些技术人员来说。

你是应该买一辆昂贵但空气动力学最佳的卧式自行车，还是一辆传统的钻石框架“安全”自行车?坐标系的角度是多少?叉子有多长?然后是材料。是铬钢还是6061-6T铝?你是应该时髦地选择最新的马氏体时效超钢(性能类似于钛)，还是选择超坚硬但令人失望的不结实的碳纤维?加上车把、刹车、曲柄、传动装置和颜色，各种组合似乎无穷无尽。然而，仔细研究这些选项后，我慢慢意识到，有些部件从未被提及:轴承。

轮毂和曲柄中的滚珠轴承可能是罗马时代发明的，是保持一切平稳运转的关键环节。为了让它们在狂热骑手施加的残酷压力和压力下生存，球和它们的轨道都必须非常坚硬。

但硬度是个奇怪的概念。就像在科学中经常发生的那样，一个直觉上很明显的想法却很难被确定下来。

最早的量化硬度的尝试是基于一种危害等级:如果一种材料能划伤它，那么它就比另一种材料更硬。希腊哲学家泰奥弗拉斯都在公元前三世纪的论文中描述了它De lapidibus(在石头上)，正如罗马作家老普林尼在公元77年所做的那样。但直到19世纪初，德国地质学家Friederich摩氏将矿物质按10分制排列，从滑石粉到钻石。

莫氏刻度适用于矿物学，但不适用于工程和冶金，在这些领域，硬度的微小差异将因机械关键部件的不同磨损而大大放大。在标准载荷下测量钻石划痕的宽度可以得到更细的硬度等级，但这对于开发更硬和更硬合金的工程师和冶金学家来说太粗糙了。而且它没有考虑塑性变形。

1859年，英国化学家提出了一种新方法克雷斯卡尔弗特还有理查德·约翰逊。他们将一根带有锥形尖端的钢棒压在待测材料上，用一根杠杆装载越来越重的重量。到了1900年，瑞典冶金学家8月布氏硬度用钢或碳化钨球压痕的刻度来发展这个想法。硬度定义为载荷与压痕面积的比值。1922年开发的维克斯测试涉及金字塔压头。但两者都需要通过显微镜来测量压痕，这一步需要相当高的技术。当热处理钢在汽车、飞机和军备工业中变得普遍时，需要一种更快、更简单的方法。

1914年，斯坦利·洛克威尔和休·洛克威尔为一种新方法申请了专利，这种方法将改变新发明的装配线。休是新出发钟公司老板的儿子:这家铸造厂最初专门生产门铃，后来生产自行车和汽车零部件。斯坦利和休没有亲戚关系，他是公司的一名年轻的冶金学家。发现布氏压痕法很难应用于像轴承轨道这样的小部件，他们一起设计了一种新的测试仪。

他们决定实施一个由波西米亚工程师保罗·路德维克(Paul Ludwik)于1908年首次提出的想法。他曾主张采用一种不同的方法，以尽量减少因破裂和压机而产生的人工制品。罗克韦尔夫妇很快就发明了一种机器，在两种标准载荷下，一个标准锥形尖端压在表面上。穿透度的差异与材料的硬度相对应，这是通过一个简单的刻度盘来读取的。该专利于1914年颁发，新型洛氏硬度计的销售立即起飞。

休离开了公司，继续从事他对飞行的热爱，但在他的余生里，他一直在为其他想法申请专利。斯坦利也继续前进，但继续致力于硬度测试，在1919年至1924年间申请了一系列改进设计的专利。他还一丝不苟地记录了他对硬度的研究，在1922年发表了一篇重要的论文，将布氏比例尺与现在用于不同材料的几种罗克韦尔比例尺联系起来。

今天，近一个世纪后，洛氏将硬度分为六个独立的领域，发展为超高压科学像纳米压痕这样的新方法让我们对硬材料有了越来越详细的了解。但对于我们这些骑着自行车在路上旋转的人来说，罗克韦尔的测试器仍能确保我们的轴承具有持续滚动的硬度。

安德烈·塞拉(@Sellathechemist)教授化学伦敦大学学院、英国

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我非常感谢Mark Miodownik和Julian Evans的想法和建议。