金属材料的硬度试验

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1、1硬度是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力，是衡 量材料软硬的判据，是一个综合的物理量。材料的硬度越高，耐磨性越好，故 常将硬度值作为衡量材料耐磨性的重要指标之一。一、布氏硬度 1、试验原理 用直径为 D 的淬火钢球或硬质合金球，以相应的试验力 F 压入试样表面， 保持规定的时间后卸除试验力，在试样表面留下球形压痕，如左图所示。布氏 硬度值用球面压痕单位面积上所承受的平均压力表示。用淬火钢球作压头时， 布氏硬度用符号“HBS”表示;用硬质合金球作压头，布氏硬度用符号“HBW”表 示。 金属的硬度可以认为是金属材料表面在接触应力作用下抵抗塑性变形的一 种能力。硬度测量能够给出金

2、属材料软硬的数量概念。由于在金属表面以下不 同深度的材料承受的应力和所发生的变形程度不同，因而硬度值可以综合的反 映压痕附近局部体积内金属的弹性、微量塑变抗力、塑变强化能力以及大量形 变抗力。硬度值越高，表明金属抵抗塑性变形的能力越大，材料所产生的塑性 变形就越困难。另外，硬度与其它机械性能（如强度指标 b及塑性指标 和 ）之间有着一定的内在联系，所以从某种意义上说硬度的大小对于机械零件 或工具的使用性能以及寿命具有决定性的意义。 硬度的试验方法有很多，在机械工业中广泛采用压入法来测定硬度，压入 法又可以分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。 压入法硬度试验的主要特征是： 1. 试验时应力状态最

3、软（即最大切应力远远大于最大正应力），因而不论 是塑性材料还是脆性材料均能发生塑性变形。 2. 金属的硬度与强度指标之间存在如下近似的关系：bKHB ,式中： b 材料的抗拉强度值；HB布氏硬度值； K系数；退火状态的碳钢 K0.340.36合金调质钢 K0.330.35有色金属合金 K0.330.533. 硬度值对材料的耐磨性、疲劳强度等性能也有定性的参考价值，通常情况下，当硬度值越高，这些性能也就越好。在机械零件设计图纸上对性能的技术要求，往往只是标注硬度值，其原因就在于此。4. 硬度测定后由于仅在金属表面局部体积内产生很小的压痕，并不损坏零件，因而适合于成品检验。5. 设备简单，操作迅速

4、方便。 实验目的：主要是了解硬度测定的基本原理及应用范围；布氏、洛氏硬度 试验机的主要结构和操作方法。 实验设备：HB3000 型布氏硬度试验机和 H100 型洛氏硬度试验机以及 相关的读数放大镜等仪器。 试样：2010 毫米的 45 钢的淬火和调质状态，2010 毫米的硬铝。 下图 2-1 和图 2-2 分别是 HB3000 型布氏硬度试验机、H100 型洛氏硬度试 验机的实物图。图 2-1 HB3000 型 布氏硬度试验机图 2-2 H100 型洛 氏硬度试验机22.1.2、注意事项 1. 试样两端要平行，表面要平整，若有油污或氧化皮，可用砂纸打磨，以 免影响测试。 2. 圆柱型试样应放在

5、带有“V”型槽的工作台上操作，以免试样滚动。 3. 加载时应细心操作，以免损坏压头。 4. 加预载荷（10kgf）时，若发现阻力太大，应停止加载，立即报告，检 查原因。 5. 测定硬度值，卸掉载荷后，必须使压头完全离开试样后再取下试样。 6. 金刚钻压头系贵重物件，质硬而脆，使用时要小心谨慎，严禁与试样或 其它物体碰撞。 7. 应根据硬度试验机使用范围，按规定合理选用不同的载荷和压头，超过 使用范围将不能获得准确的硬度值。 硬度的测定常用压入法。把规定的压头压入金属材料表面层，然后根据压 痕的面积或深度确定其硬度值。根据压头和压力不同，常用的硬度指标有布氏 硬度（HBS、HBW）、洛氏硬度（H

6、RA、HRB、HRC 等）和维氏硬度（HV）。 HBS(HBW)：用钢球（硬质合金球）试验的布氏硬度值；F：试验力（N）； d：压痕平均直径（mm）； D：钢球（硬质 合金球）直径（mm）布氏硬度的单位为 N/mm2，但习惯上只写明硬度值而不 标出单位。 2、选择试验规范在进行布氏硬度试验时，钢球直径、施加的试验力和试验力保持时间、 应根据被测试金属的种类和试样厚度，按下表所示的布氏硬度试验规范正确地 进行选择。 布氏硬度试验规范 材料布氏硬度0.102/D 2 备注钢及铸铁 140 14010 30铜及其合金 35 35130 1305 10 30轻金属及其合 金 35 3580 8025

7、10 10铅、锡1.25单位： 单位： mm 由布氏硬度值的计算公式可以看出，当所加试验力与钢球（或硬质合金 球）直径已选定时，硬度埴 HBS（HBW）只与压痕直径 d 有关。d 越大，则 HBS（HBW）值越小，表明材料越软；反之，d 越小，HBS（HBW）值越大，表明 材料越硬。除了采用钢球（或硬质合金球）直径为 10，试验力为 3000（），保持时间 1015s 的试验条件外，在其它试验 条件下测得的硬度值，应在符号 HBS 的后面用相应的数字注明压头直径、试验 力大小和试验力保持时间。3如 120HBS10/1000/30，即表示用 10mm 的钢球作压头，在 1000kgf(9807

8、N) 的试验力作用下，保持时间为 30s 后所测得的硬度值为 120。如 500HB5/750，即表示用 5mm 的硬质钢球作压头，在 750kgf(735N)的试验力作 用下，保持时间为 0115s 后所测得的硬度值为 500。 淬火钢球用于测定硬度 HBS450 的金属材料，如灰铸铁、有色金属以及退 火、正火和调质处理的钢材等。为了避免压头变形，可用硬质合金球压头，它 适用于测试 HBW650 的金属材料。（我国目前布氏硬度试验机压头主要是淬火 钢球。） 3、试验的优缺点布氏硬度试验的优点是：试验时使用的压头直径较大，在试样表面上留下 压痕也较大，测得的硬度值也较准确。布氏硬度试验的缺点是

9、：对金属表面的损伤较大，不易测试太薄工件的硬 度，也不适于测定成品件的硬度。布氏硬度试验常用来测定原材料、半成品及 性能不均匀的材料（如铸铁）硬度。 二、洛氏硬度 1、试验原理 洛氏硬度是以顶角为 120的金刚石圆锥体或直径为 1.588的淬火钢球 作压头，以规定的试验力使其压入试样表面。试验时，先加初试验力，然后加 主试验力。压入试样表面之后卸除主试验力，在保留初试验力的情况下，根据 试样表面压痕深度，确定被测金属材料的洛氏硬度值。 如图所示，00 为金刚石压头还没有和试样接触的位置。11 是在初试验 力作用下压头所处的位置，压入深度为 h1，目的是为了消除由于试样表面不光 洁对试验结果的精

10、确性造成的不良影响。图中 22 在总试验力（初试力主试 验力）作用下压头所处位置，压入深度为 h2。33 是卸除主试验力后压头所处 的位置，由于金属弹性变形得到恢复，此时压头实际压入深度为 h3。故由于主 试验力所引起的塑性变形而使压头压入深度为 hh3h1。洛氏硬度值由 h 的 大小确定，压入深度 h 越大，硬度越低；反之，则硬度越高。一般说来，按照 人们习惯上的概念，数值越大，硬度越高。因此采用一个常数 c 减去 h 来表示 硬度的高低。并用每 0.002的压痕深度为一个硬度单位。由此获得的硬度值 称为洛氏硬度值，用符号表示。式中，c 为常数（对于 HRC、HRA，c 取 0.2；对于 H

11、RB，c 取 0.26）。由此获得的洛氏硬度值为一无名数，试验时 一般由试验机指示器上直接读出。 常用洛氏硬度标尺及适用范围 标 尺压头类型总试 验力 kgf硬度 值有效范 围应 用HRA HRB HRC120金刚石圆 锥体 (1/16) ” ( 1.588)钢球 120金刚石圆 锥体600 1000 150070 88 20 100 20 70硬质合金、表面淬火层 或渗碳层等 有色金属、退火、正火 钢等 淬火钢、调质钢等4上述洛氏硬度的三种标尺中，以应用最多，一般经淬火处理的钢或工具 都采用测量。在中等硬度情况下，洛氏硬度与布氏硬度之 间关系约为 1：10，如 40 相当于 400 。如 5

12、0，表示用 标尺测定的洛氏硬度值为 50。硬度值应在有效测量范围内（为 2070）为有效。3、试验优缺点优点： 操作简单迅速，效率高，直接从指示器上可读出硬度值；压痕小，故可直接测量成品或较薄工件的硬度；对于和采用金刚石压头，可测量高硬度薄层和深层的材料。缺点：由于压痕小，测得的数值不够准确，通常要在试样不同部位测定四次 以上，取其平均值为该材料的硬度值。三、维氏硬度 布氏硬度试验不适用于测定硬度较高的材料。洛氏硬度试验虽然可用于测定较材料和硬材料，但其硬度值不能进行比较。维氏硬度试验可以测量从软到硬的各种材料以及金属零件的表面硬度，并有 连续一致的硬度标尺。 1、试验原理维氏硬度试验原理与布

13、氏硬度相似，也是根据压痕单位表面积上的试验力 大小来计算硬度值。区别在于压头采用锥面夹角为 136的金刚石正四棱锥体， 将其以选定的试验力压入试样表面，按规定保持一定时间后卸除试验力，测量 压痕两对角线长度，如书上图 15 所示。维氏硬度值用四棱锥压痕单位面 积上所承受的平均压力表示，符号。式中 作用在压头上的试验力 （）,d压痕两对角线长度的平均值（）,值的单位为 / 2 ，但 习惯上只写出硬度值而不标出单位。 2、常用试验力及其适用范围 维氏硬度试验所用试验力视其试件大小、薄厚及其它条件，可在 49.03980.7的范围内选择试验力。常用的试验胃有 49.03、98.07、196.1、29

14、4.2、490.3、980.7。符号前面的数字为硬度 值，后面依次用相应数字注明试验力和试验力保持时间（1015s 不标注）。 如,表示 30kgf (294.2N) 试验力，保持时间为 20s 测 得维氏硬度值为 640。维氏硬度法适用范围宽，尤其适用于测定金属镀层、薄片金属及化学热处 理后的表面硬度，其结果精确可靠。当试验力小于 0.2 kgf （1.961）时， 可用于测量金相组织中不同相的硬度。 3、试验优缺点优点：与布氏、洛氏硬度试验比较，维氏硬度试验不存在试验力与压头 直径有一定比例关系的约束； 不存在压头变形问题； 压痕轮 廓清晰，采用对角线长度计量，精确可靠，硬度值误差较小。缺

15、点：其硬度值需要先测量对角线长度，然后经计算或查表确定，故效率 不如洛氏硬度试验高。5根据压头形状、材料及加载大小的不同，硬度可有布氏硬度、洛氏硬度、 维氏硬度和显微硬度，它们适用于不同的材料。各种硬度的压头形状、材料、 载荷、运用范围等见下表。布氏洛氏硬度转换表布 氏硬度洛氏硬度抗拉强 度布 氏硬度洛氏硬度抗拉强 度硬质合 金球 3000kg标尺 A 60kg标尺B 100k g标尺 C 150kg(约磅/英寸 2 )硬质合 金球 3000kg标尺 A 60kg标尺 B 100kg标尺 C 150kg(约磅/英寸 2 )-85. 6-68. 0-33 168. 1-35.5166,00 0-85. 3-67. 5-32 167. 5-34.3160,00 0-85. 0-67. 0-31 166. 9-33.1155,00 076 784. 7-66. 4-30 266. 3-32.1150,00 075 784. 4-65. 9-29 365. 7-30.9145,00 074 584. 1-65. 3-28 565. 3-29.9141,00 073 383. 8-64. 7-27 764. 6-28.8137,00 072 283. 4-64. 0-26 964. 1-27. 6133,00 071 2-26 2