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1、81实验二实验二 硬度试验硬度试验一一. .实验目的实验目的一. 正确掌握三种测硬度(布氏、洛氏、维氏)的测试原理，主要规范及测试方法，要求能正确地测定各种材料的硬度值。二. 培养正确选择硬度试验法的能力。三. 熟悉几种硬度计的操作规程，并一般了解其主要结构、特点及其工作原理。二二. .实验内容实验内容1、参考三种硬度试验法的特点对所给试验材料正确地选择一种或两种适当的硬度试验方法2、对每种试验材料根据所给定的硬度试验法，正确选择试验规范并分别测定其硬度值3、分析和讨论试验结果三三. .基本概念及测试原理基本概念及测试原理1、布氏硬度试验法(GB231-84)布氏硬度的测试原理如图2-1所示，
2、采用一定直径D的淬硬钢球或硬质合金球，在规定负荷P的作用下压入被测金属表面，经规定保荷时间后卸除负荷，在被测金属表面留下一球冠状压痕，测量试样表面压痕的直径d即能算出压痕面积F，然后以压痕单位面积上所承受的负荷表示金属的布氏硬度值，其符号用HB表示，(压头为钢球时用HBS表示，压头为硬质合金球时用HBW表示)。（注：布氏硬度超过350时，钢球和硬质合金球得到的试验结果明显不同）其值可用下述公式计算：222/mmkgf dDDDP FPHB 式中：P施加的负荷(kgf)；F压痕表面积(mm2)；D压头球体直径(mm)；82h压痕深度(mm)；d试样表面压痕直径(mm)。图2-1 布氏硬度试验原理
3、示意图因此，只要测出试样表面的压痕直径，就可利用(2-1)式计算或查表面得到HB值。当采用这种试验方法时，实验证明被测试材料的布氏硬度值与所加负荷之间存在图(2-2)所示的关系。为了使硬度值与所选择的负荷无关，该负荷下所产生的试样表面压痕直径d满足下条件：DdD6 . 024. 0由于被测金属软硬不同，试件厚薄及大小不同，所产生的压痕又必须满足，若采用一种负荷P和一种直径D的球体压头，是不能满足试DdD6 . 024. 0验要求的，因此往往要求能使用不同大小的负荷P和球体直径D进行试验。这时，对同一种材料能否得到同一的布氏硬度值，对于不同材料所得之结果能否相互进行比较，关键在于压痕的几何形状是
4、否相似，这就是布氏硬度试验中的相似原理，下面简单作一介绍。由图2-1可知Dd2sin代入式(2-1)得：试样压头POb/2ahd/283(2-2) 2sin11222P DHB100300400200500HB10002000P图2-2 布氏硬度HB与负荷P的关系图 2-3 压痕相似原理示意图图 2-3 表示两个不同直径的球体 D1和 D2，在不同负荷 P1和 P2的作用下压d2dD1D2P284入金属表面的情况,此时同理可得：)22sin11 (2122 11 1DPHB(2-3) )22sin11 (2122 22 2DPHB若在 P1、D1和 P2、D2下所得的压痕几何形状相似，即 1=
5、2,那么对于同一种材料，若想使所得之硬度值相等，则要求（K 为常数），KDPDP2 222 11/这时：(2-4) )2sin11 (2)2sin11 (2122 22122 11 21DPDPHBHB这就是由压痕几何相似原理导出的P和D的选配原则，只要负荷P与球体直径D的平方之比保持一常数K，同时压痕又是几何相似的，则对于同一种材料测得的硬度值是相等的，对于不同材料所测得的硬度值是可以比较的。国标GB231-84规定布氏硬度试验时PD2的比值为30、10、5、2.5、1.25五种，当有关标准中有明确规定时还可使用PD2=15和1。根据金属材料的种类和试样硬度范围不同，国标规定按表2-1所示选
6、择PD2值。除上述规定外，布氏硬度试验时，必须保证所施加之负荷与试件的试验平面垂互。试验连程中加荷应平稳均匀，不得有冲击和振动。试样表面应制成光滑平面，表面无氧化皮和其它外来污物。制备试样时。不应使试样表面因受热或加工硬化影响其硬度。试样厚度应不小于压痕深度的10倍。(见表2-2)试验力的施加时间为28秒，黑色金属的试验力保持时间为1015秒；有色金属为302秒；布氏硬变小于HB35时为602秒。压痕中心距试样边缘距离应不小于压痕直径的2.5倍，两相邻压痕中心的距离应不小于压痕直径的2.5倍，两相邻压痕中心的距离应不小于压痕直径的4倍，试验硬度小于35时。上述距离应分85别为压痕直径的3倍和6
7、倍。表2-1材料布氏硬度PD2钢及铸铁1401030钢及其合金13051030轻金属及其合金802.5(1.25)10(5 或 15)10(15)铅、锡1.25注：当实验条件允许时，应尽量选用10mm球； 1当有关标准中设有明确规定时，应使用括号内的PD2值。压痕直径应从两个垂直方向测量，并取其算术平均值。压痕两直径之差应不超过较小直径的2。用直径为10毫米的球体进行试验时，压痕直径的测量应精确到0.02mm,用2.5毫米球体时则应达到O.01毫米。布氏硬度的优点是：(1）压痕面积较大，能反映较大范围内金属各组成相的平均性能。而不受个别组织相及微小不均匀性的影响，因此特别适宜测定灰铸铁、有色合
8、金和具有粗大晶粒的金属材料。(2）试验数据稳定，重复性强。(3）由实验测定已求得了一些HB与抗拉强度b之间的经验公式，从而通过布氏硬度试验可近似推算材料的抗拉强度。布氏硬度的缺点：(1）由于压头是淬火钢球或硬质合金球，爱力太大往往会引起压头本身变形，所以不能测试太硬的材料，压头为淬火钢球时，最多测至HB450，硬质合金球压头最多测至HB650；(2)由于压痕大，对某些表面不允许有较大伤痕的成品工件不宜采用；86(3)每次测试均需精确测定压痕直径d ，因此与其它硬度测试方法相比，操作也显得比较繁琐。布氏硬度的表示方法：例如：120HBS10/1000/30，表示用直径10mm钢球在1000kgf
9、(9.807kN）试验力作用下保持30秒，测得布氏硬度值为120；500HBW5/750表示用5mm硬质合金球在750kgf (7.355kN）试验力作用下保持1015秒测得的布氏硬度值为500。2、洛氏硬度试验法（GB/T 230-91)和布氏硬度试验法一样，洛氏硬度试验法也是一种静载压人法硬度试验，但不同的是洛氏硬度试验法以压头压入被测金属表面的深度的大小来表示材料的软硬，其压头采用120o的金刚石锥体或直径为1.588mm(1/16寸)的淬硬钢球。洛氏硬度的试验原理可用图2-4加以说明。图2-4 洛氏硬度试验原理图图 2-4(a）表示压头在初负荷步加上主负荷 P0作用下压入被测金属表面，
10、深度为 h0；(b）表示进一步加上主负荷 P1，使压头在总负荷 PP 十 P1 的作用下压入被测金属，压入深度 h1；然后卸去主负荷 P1，保留初负荷 P0，这时压头压入被测金属表面的深度将由于材料弹性变形的恢复而发生变化，压入深度为h2，如图 2-4(c）所示。由图 2-4 可见 h2-h0=e,e 即为主负荷 P1作用下的残余压入深度，此深度被用衡量材料的软硬，但如果直接用 e 值表示材料的硬度值，那么材料越软，得到的 e 值越大，即硬度值度值越大，这与习慢不符，因此测量硬度值时人为规定h0P0h1P0+P1P0h2e(a)(b)(c)87用一常数 k 减去残余压深度 e，用所得的差值表示
11、材料的硬度值，并规定每0.002mm 作为一个洛氏硬度单位，并用符号 HR 表示洛氏硬度值，故洛氏硬度值的计算为：(2-5)002. 0eKHR式中：K人为规定的常数，使用金刚石压头时，常数 K 值为 0.2mm；使用钢球压头时，常数 K 值为 0.26mm。e主负荷作用下的残余压入深度。为了能用一种硬度计测定从软到硬的金属材料的硬度，洛氏硬度试验时，采用了不同的压头和总负荷，组成几种不同的洛氏硬度标尺，最常用的有HRA、HRB、HRC 三种，它们的试验规范见表 2-3 表 2-3 洛氏硬度的试验规范标尺压头类型初载荷（N）总载荷（N）应用范围HRA1200金刚石圆锥98.07588.4208
12、8HRAHRB1.58mm 直径钢球98.07980.720100HRBHRC1200刚钢石圆锥98.0714712070HRC各种不同标尺的洛氏硬度值之间不能直接进行比较，必要时可用实验测定的换算表进行相对比较。洛氏硬度试验如在圆柱或球形表面进行时，由于压痕周围阻力减小，硬度值偏低。因此，试验结果需加以校正，可以通过计算，求得校正值。如圆柱面:88(2-6)32 10) 100(6DHRCHRC球面：(2-7)32 10) 100(12DHRCHRC式中：HRC应加上的校正值；HRC球面或圆柱面的硬度值；表面洛氏硬度表面洛氏硬度由于洛氏硬度试验所用的负荷较大，不宜用来测定较薄的工件和化学热处
13、理工件表层的硬度，为了解决这一问题，应用洛氏硬度计的原理，设计制造了一种表面洛氏硬度计，测试金属的表面洛氏硬度。表面洛氏硬度其初载荷为3Kg，总载荷分别为 15、30、45Kg 三种，以每 0.001mm 为一个硬度值单位，常数 K 为 0.1mm。表 2-4 表面洛氏硬度尺符号及试验规范压头类型1200金刚石圆锥1.58mm 直径钢球标尺符号HR15NHR30NHR45NHR15THR30THR45T总载荷（Kgf）153045153045洛氏试验的优点是操作迅速简便，压痕较小，适宜于成员质量检验，其缺点是采用不同标准所测得的硬度值之间能直接进行比较，而一种标度又不能测定各件软硬的材料。另外
14、由于压痕小，对于组织粗大或存在组织不均匀的材料，硬度值代表性差，数值较分散，洛氏硬度用符号 HR 表示，HR 前面为硬度值，HR 后面为使用标尺。例如 50HRC 表示用 C 标尺测定的洛氏硬度值为 50。893、维氏硬度试验法（GB4340-84）维氏硬度的测定原理基本上与布氏硬度相同，也是用压痕单位面积上所承受的负荷来表示材料的硬度值。与布氏硬度不同的是维氏硬度试验的压头不是钢球，而是金刚石的正四棱锥体。维氏硬度物试验原理和压头形状如图 2-6 所示。试验时，在负荷 P 作用下，压头在试样表面上压出一个四方锥形的压痕，测量试样表面上正方形压痕的两条对角长度 d1、d2 取其算术平均值 d，
15、由 d 算出压痕表面积 F，以 P/F 的数值表示试样的硬度值。并用符号 HV 表示之，即：(2-8)/(8544. 12 2mmkgfdP FPHV136o136o136oaad图 2-6 维氏硬度试验原理示意图负荷P可在0.5120kgf范围内根据试祥的大小和厚薄及其它条件进行选择，国标GB4340-84规定采用的负荷力5、10、20、30、50、100kfg等六级。施加90负荷的时间为2-8秒，总负荷的保持时间黑色金属为1015秒，有色金属为302秒。试样厚度应不小于其压痕对角线的1.5倍，试验后，试样背面不应呈现变形痕迹。任一压痕中心与试样边缘或其它压痕中心之间的距离，对于黑色金属应不
16、小于压痕平均对角线长的2.5倍，对于有色金属则不应小于5倍。两对角线长d1和d2之差与较短一条之比不应超过2。金属维氏硬度测量范围为51000HV。和布氏洛氏硬度试验相比较，维氏硬度具有很多优点。它不存在布氏硬度试验中负荷和压头直径选配关系的约束，也不存在压头变形问题，可以测定软硬不同的各种金属材料的硬度。并且也不存在洛氏硬度试验中各种不同硬度标度所得之硬度值互相不能直接进行比较的问题。由于压痕轮廓清晰，采用对角线长度计量，所以读数较布氏硬度试验法精确。实验时负荷可以任意选择，所以适宜用来测定薄试样的硬度。例如表面化学热处理试样的硬度等。维氏硬度试验的缺点是其硬度值需经过压痕对角线的测量，然后计算或查表得到，所以不如洛氏硬度试验方便，不适宜于成批生产中成品件的质量检验。此外与洛氏硬度法一样，由于压痕小，虽然对零件的损伤小，但也不适宜于用来测定组织
