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1、实验一 材料的硬度测试一、 实验目的掌握布、洛、维三种硬度的原理和测试方法。掌握显微镜硬度的测试方法及原理。给定各种状态的材料选择适用的硬度测试方法。二、 实验原理金属材料的硬度可以认为是金属材料表面局部区域在接触应力作用下抵抗塑性变形或破裂的能力。由于在金属表面以下不同深处材料所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，是表征材料性能的一个综合参量。硬度值越高，表明金属抵抗塑性变形能力越大，材料产生塑性变形就越困难。硬度测量能够定量地给出金属材料软硬程度的相对数量概念。硬度的实验方法有十多种，基本可分为压
2、入法和刻划法两大类。在机械工业中广泛采用压入法来测定硬度。压入法又可分为布氏硬度、洛氏硬度等，它们只是一些不同的实验方法而已，没有什么必然的内在关系。压入法硬度实验有以下几方面的优点，导致它在生产和科研中的广泛应用：1、硬度实验设备简单，操作迅速方便；2、实验对象可以是各类工程材料和各种尺寸的零件，无须加工专门的试样，而且实验时一般不会破坏成品零件；3、作为一种综合的性能参量，硬度与其他机械性能指标之间有着一定的内在联系，从一定程度上，可用硬度实验结果估算相关性能而免做复杂的实验。如：金属的硬度与强度指标之间存在着如下近似关系：b=K*HB式中：b材料的抗拉强度；K系数，取值见表一；HB布氏硬
3、度。4、材料的硬度还与工艺性能之间有联系，可以作为评定材料工艺性能的参考；5、硬度能敏感地反映材料的成分与组织结构的变化，可用来检验原材料和控制冷热加工质量。（一）布氏硬度：布氏硬度实验是对试样施加一定大小的载荷P，将直径为D的钢球压入试样表面保持一定时间，然后卸除载荷，根据钢球在试样表面上所压出的凹痕面积F求出平均应力值，以此作为硬度值的计量指标，用符号HB表示。计算公式如下：HB=P/F式中：HB布氏硬度；P施加外力，N；F压痕面积，mm2。根据压痕面积和球面之比等于压痕深度h和钢球直径D之比的几何关系，可以求出：F=Dh 式中：D压头直径，mm；h压痕深度，mm。由于测量压痕直径d要比测
4、定压痕深度h容易，而在数学表达式中可将h的改换成d来表示，这样，在实际测量时，可由压痕直径d直接查表得到HB值。当压头为淬火钢球时，硬度符号为HBS，适用于布氏硬度值低于450的金属材料；当压头为硬质合金球时，硬度符号为HBW，适用于布氏硬度值为450650的金属材料。由于金属材料有软有硬，所测工件有厚有薄，若只采用一种载荷和同一个压头直径，则可能对有些试样合适，而对另一些试样不合适，会发生整个压头陷入试样中或将试样压透的现象。所以，在测定不同材料时应用不同的载荷P和不同的直径D的钢球。但为了得到统一的、可以进行相互比较的数据，必须使D和P之间维持一定的比值关系，以保证所得到的压痕形状的几何相
5、似关系。经数学推导可知，只要满足P/D2=常数，所得到的HB值就是一样的，不同材料、不同载荷P和压头直径D所得到的HB可以进行相互比较。国标GB231-88对此进行了规定，具体实验数据和适用范围参见表一布氏硬度试验规范。试样厚度不应小于压痕深度的10倍。压痕中心距试样边缘的距离不应小于压痕直径的2.5倍，而距相邻压痕中心距离不小于压痕直径的4倍。用读数显微镜测量压痕直径时，应从相互垂直的两个方向测量，精确到小数点后两位的毫米值，并取其算术平均值。压痕直径之差应不大于较小直径的2%。实验后压痕直径大小应在0.25Dd0.6D范围内，否则认为试验结果无效；试验后试样边缘与试样背面呈变形痕迹，则试验
6、无效，这时均应重新选择试验条件重做。（二）洛氏硬度：洛氏硬度试验常用的压头为圆锥角1200、顶部曲率半径0.2MM的金刚石锥体或直径D=1.588mm的淬火钢球。试验时先对试样施加初试验力F0，在金属表面得一压痕深度h0，以此作为测量压痕深度的基线，随后再施加主试验力F1，此时压痕深度的增量为h1。金属在F1作用下产生的总变形h1中包括弹性变形和塑性变形。当卸载后，总变形中的弹性变形恢复，使压头回升一段距离，于是得到金属在F1作用下的残余压痕深度h（将此压痕深度h表示成e，其值以0.002为单位表示）。e值越大表示金属洛氏硬度越低，反之，则表明硬度越高。为了照顾习惯上数值越大硬度越高的概念，用
7、一常数k减去e来表示洛氏硬度值，并以符号HR表示，即：HR=ke当使用金刚石圆锥体压头时，常数k定为100；当使用淬火钢球压头时，常数k定位130。实际测量洛氏硬度时，由于在硬度计的压头上方装有百分表，可直接测量出压痕深度，并可直接按上式换算出相应的硬度值。因此，在实验过程中金属的洛氏硬度值可直接读出。为了测定软硬不同的金属材料的硬度，在洛氏硬度计上可配有不同的压头与试验力，组合成几种不同的洛氏硬度标尺，每一种标尺用一个字母在HR后注明。我国常用的标尺有A、B、C三种，其硬度值的符号分别用HRA、HRB、HRC表示。他们的试验条件、硬度值计算公式及应用实例如表二所示。（三）维氏硬度： 维氏硬度
8、的测量原理基本上和布氏硬度相同所不同的是用金刚石正四棱锥压头。正四棱锥两对面的夹角为136，底面为正方形。维氏硬度所用的载荷有1kg、3kg、5kg、10kg、20kg、30kg、50kg、100kg、120kg等负载的选择主要取决于试件的厚度。 在载荷P的作用下压头在试样表面压出一个底面为正方形的正四棱锥压痕。用显微镜测定方坑对角线长度d维氏硬度值HV等于所用载荷与压痕面积的比值。压痕面积F为 则 式中F载荷 d压痕直径 S压痕面积。当载荷F已知时,只要测得压痕对角线长度d,就可以求出维氏硬度值。通常是在测量d值后从压印对角线与维氏硬度对照表中查出相应的硬度值。 角选择136是为了使维氏硬度
9、得到一个成比例的并在较低硬度时与布氏硬度基本一致的硬度值。在布氏测试法规定0.25,=44,与此相对应的金刚石正四棱锥的两以面间夹角就是180-44=136。所以布氏硬度在HB300,它们间的差别增大,这是由于布氏测试法所用的钢球压头开始变形使压痕直径偏大所造成的。三、 实验设备及材料布氏硬度计、洛氏硬度计、维氏硬度计、显微硬度计铜合金、铝合金、各种色处理状态钢材试样。四、 实验方法及步骤（1） 布氏硬度测试实验步骤1. 按表（一）选用适当的压头、负荷及保荷时间。拧松压紧镙钉，把时间定位器（红色指示点）转到与持续时间相符的位置上。 2. 将试样放在工作台上，顺时针转动手轮使压头和试样缓慢接触，
10、直到手轮与镙母产生相对打滑为止。 3. 打开电源开关，绿灯亮。 4. 按动加载按钮，启动电动机，载荷砝码经一系列的杠杆系统传递到压头，即开始加载荷。此时因压紧镙钉已拧松，园盘并不转动，当红色指示灯亮时，迅速拧紧压紧镙钉。达到所要求的持续时间后，即自动卸荷。从启动按钮形状到红灯亮为加荷阶段，红灯亮到红灯灭为保荷阶段，红灯灭到电动机停止转动为卸荷阶段。 5. 逆时针转动手轮降下工作台，取下试样用读数显微镜测出压痕直径d值，以此值查表即得HB值。（2）洛氏硬度测试实验步骤 根据试样的硬度值范围，按表二选择适当的压头和载荷。 将符合要求的试样放置在试样台上，顺时针转动手轮，使试样与压头缓慢接触。直至小
11、指针指向小红点为止。此时即已予加载荷10kg，然后调整指示器大指针对正零点。 轻轻向前推动手柄，施加主载荷，大指针按逆时针方向转动，待转动停止后，再将手柄板回卸去主载荷，大指针又顺时针方向转动，自动停止后，大指针所指表盘上的数据即为该材料的洛氏硬度值。 逆时针转动手轮，降下载物台，取出试样。（3）维氏硬度测试实验步骤1、将硬度计调整至准备状态。 2、徐徐旋转手轮上升砧座直至试验面与压痕器之间维持在0.10.3mm程度为止。 3、转动记测显微镜使物镜对正试片中心位置然后使金刚石压头对准被测部位。 4、按下启动杆使负荷徐徐加至试件上由于凸轮及重锤之作用而产生压痕。按规定时间保载后再轻轻卸除负荷。
12、5、旋转手轮降下砧座。 6、 转动计测显微镜至试片时由目镜观察试片压痕轮廓并以砧座之升降调整教具使压痕清晰。测出压痕对角线长度。根据所加负荷及压痕两对角线长度的平均值查表求出维氏硬度值。五、实验注意事项（一）布氏硬度注意事项 试样表面必须光洁平整,以使压痕边缘清晰保证精确测量压痕d。 操作时动作要稳、缓、轻。 压痕距试样边缘应大于D,两压痕间距也应大于D。 当选用不同的P/D2时,布氏硬度值之间不能进行直接对比。 用读数显微镜测量压痕直径d时,应从互相垂直的两个方向上进行取其平均值。（一）洛氏硬度注意事项 试件两端要平行，不得带有油污，氧化皮和显著加工痕迹等。 压痕中心距边缘或两压痕间距为：H
13、RA、HRC测定时不小于2.5mm，HRB测定时不小于4mm。 试样厚度不应小于压入深度的10倍。（三）维氏硬度注意事项（1）根据试样的厚度和硬度范围在1100Kgf之间选择负荷，在允许范围内尽可能选择较大的载荷，以提高测量的准确性，并减小表面组织不均匀带来的影响。 （2）试样试验面平滑光洁。目镜聚焦后，平稳加载，压痕中心至试样边缘不小于2.5倍对角线长度。 （3）卸载后，聚焦，用目镜测微尺测量每个压痕的两条对角线长d1、d2 取平均值d。六、分析讨论1、记录各测试材料硬度值。答：布氏硬度测试采用187.5N的载荷加载30S，测量合金材料的直径为2.68mm，查表得硬度值为123HB。维氏硬度
14、测得的对角线长度为1.50 mm，查表得硬度值324HV10。洛氏硬度采用147.1N的载荷加载15S，测得的三组硬度值分别为49.6HRC、49.1HRC和50.6HRC。显微硬度每隔0.5 mm，测量一组硬度值，测得硬度梯度值为591.9HV、721.0HV、675.3HV。2、简述布、洛、维硬度计各自特点。答：布氏硬度具有测量精度高，重复性好的优点，但其对样品要求高，需测量查表。洛氏硬度具有试验方便直观，样品要求低的优点，适用于薄样品、表面处理样品、软材料、退火钢、有色金属、色处理后的样品。维氏硬度适用于所有硬度的材料，载荷不影响硬度值，但其样品要求较高，需测量查表。3、选择合适测量下列
15、材料硬度的方法和标尺：渗碳层的硬度分布、淬火钢、灰口铸铁、氮化层的硬度、高速钢刀具、退火的20钢。答：渗碳层的硬度分布采用表面洛氏硬度计（HR15或者HR30）或者维氏硬度进行测量。淬火钢的硬度采用洛氏硬度计进行测量。灰口铸铁采用布氏硬度计测试硬度值。氮化层的硬度值采用维氏硬度或者显微硬度进行测量。高速钢刀具采用洛氏硬度进行测量。退火的20钢采用洛氏硬度进行测量。4、说出维氏硬度和显微硬度的区别，并举例显微硬度所适用的试件、答:维氏硬度试验是测定材料维氏硬度值的试验。通过维氏硬度计测量，以120kg以内的载荷和顶角为136的金刚石方形锥压入器压入材料表面，用材料压痕凹坑的表面积除以载荷值，得出维氏硬度值HV。根据试验力的不同范围，维氏硬度计分为三种形式：试验力F49.03N或HV5为维氏硬度计、试验力1.961NF49.03N或HV0.2HV5为小负荷维氏硬度计，用于测定材料小负荷维氏硬度值、试验力0.09807NF1.96N或HV0.01HV0.2为显微硬度计，用于测
