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1、金属材料及热处理实验指导书（2014-2015 秋季学期）指导教师：龚成功材料工程学院实验中心第 0 页 共 12 页实验 1 金属材料硬度测定1、 实验目的1.了解不同种类硬度测定的基本原理及常用硬度试验法的应用范围。2.学会使用布氏、洛氏、维氏硬度计并掌握相应硬度的测试方法。2、 实验原理概述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属材料软硬程度的数量概念。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地反映压痕附近局部体积内金属的弹性、微量塑性变形抗力、塑性变形强化能力以及大量变形抗力。硬度值越高，表
2、明金属抵抗塑性变形的能力越大，材料产生塑性变形就越困难。另外，硬度与其他力学性能（如强度、塑性）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材料的使用寿命具有决定性的作用。常用的硬度试验方法有：布氏硬度试验主要用于测量铸铁、非铁金属及经过退火、正火和调质处理的钢材。洛氏硬度试验主要用于测量成品零件。维氏硬度试验主要用于测定较薄材料和硬材料。显微硬度试验主要用于测定显微组织组分或相组分的硬度。材料工程学院实验中心第 1 页 共 12 页1.布氏硬度布氏硬度实验是施加一定大小的载荷 F，将直径为 D 的钢球压入被测金属表面（如图 1-1 所示）保持一定时间，然后卸除载荷，根据钢球在金属
3、表面上所压出的凹痕面积 A 凹 求出平均应力值，以此作为硬度值的计量指标，并用符号 HB 表示。其计算公式如下：HB=F/A 凹 （1-1）式中 HB布氏硬度；F施加外力，N；A 凹 压痕面积，mm 2。图 1-1 布氏硬度的试验原理根据压痕面积和球面面积之比等于压痕深度 h 和钢球直径之比的几何关系，可知压痕部分的球面面积为：A 凹 =Dh （1-2）式中 D钢球直径，mm;h压痕深度，mm 。材料工程学院实验中心第 2 页 共 12 页由于测量压痕直径 d 要比测定压痕深度 h 容易故可将式（1-2）中的 h 改换成 d 来表示，这样可以根据集合关系求出(D/2)-h=(D/2)2-( d
4、/2 )1/2h=D-(D2-d2)1/2/2 （1-3）将式(1-2)和式(1-3)代入式(1-1) 既得HB= = (1-4)当试验力 P 的单位是 N 时HB= = (1-5)式中的 d 是变数,故只需测出压痕直径 d,根据已知 D 和 F 值就可以计算出 HB 值。在实际测量时，可由压痕直径 d 直径查表得到 HB值。需要注意的是，由于材料有硬有软，所测工件有厚有薄，若只采用同一种载荷和一个钢球直径时，则对有些试样合适，而对另一些试样可能不合适，对同一种材料而言，不论采用何种大小的载荷和钢球直径，当 F/D2=常数时，所得到的 HB 值是一样的，对不同材料来说，得到的 HB 值也可以经
5、行比较。表 1-1 布氏硬度试验范围材料 硬度范围HB试样厚度/mmF/D2 钢球直径/mm载荷F/D载荷保持时间/s黑色金属 14015066366366332.5 1052.52450612.5152.8860凹AF） 2d(D凹102. ） 2(04.F材料工程学院实验中心第 3 页 共 12 页2.洛氏硬度洛氏硬度试验常用的压头为圆锥角为 120，顶部曲率半径为0.2mm 的金刚石圆锥体或直径 D=1.588 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为 h0，以此作为测量压痕深度的基线。随后再加上主试验力 F1 后，此时压痕深度的增量为 h1。金属在主试验
6、力 F1 作用下产生的总变形 h1 中包括了弹性变形和塑性变形。将 F1 卸除，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 F0 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 0.002mm 为单位表示） ，e 值越大表示金属洛氏硬度越低；反之，则表示硬度越高。为了照顾习惯上数值越大硬度越高的概念，故而用一个常数 k 减去 e 来表示洛氏硬度值，并以符号 HR 表示，即HR=k-e (1-6)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 定为 130.实际测定洛氏硬度时,由于在硬度计的压头上方装有百分表,可直接测出压痕深度
7、,并按(1-6)换算出相应的硬度值。因此，在试验过程材料工程学院实验中心第 4 页 共 12 页中金属的洛氏硬度可以直接读出。为了测定软硬不同的金属材料的硬度，在洛氏硬度计上可选配不同的压头与试验力，组合成几种不同的洛氏硬度标尺。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。洛氏硬度试验规范和适用范围见表 1-2。表 1-2 各种洛氏硬度值的符号、试验条件和应用3.维氏硬度维氏硬度的实验原理与布氏硬度相同，也是根据压痕单位面积所承受的试验力来表示维氏硬度值。所不同的是维氏硬度用的压头不是球体而是两对面夹角 =136的金刚石四棱椎体。压头在试验力 F（单位
8、是 kgf 或 N）作用下，将试样表面压一个四棱椎形压痕，经规定时间保持载荷之后，卸除试验力，由读数显微镜测出压痕对标 尺 压头类型 初始试验力/kgf(N)主试验力/kgf(N)硬度值测量范围应用实例HRA 50(490) 65-85 高硬度的薄件、表面处理钢件、硬质合金等HRC120金刚石圆锥体 140(1372) 20-67 硬度大于 100HRB的淬火及回火钢、钛合金等HRB 1.588mm淬火钢球 90(882) 25-100 铜合金、铝合金、退火钢材、可锻铸铁等HRD 120金刚石圆锥体90(882) 40-47 薄钢板、中等表面硬化钢、珠光体可锻铸铁HRE 3.175mm钢球 9
9、0(882) 70-100 灰铸铁、铝合金、镁合金、轴承合金HRF 1.588mm钢球 50(490) 60-100 退火铜合金、软质薄合金板HRG 1.588mm钢球 140(1372) 30-94 可锻铸铁、铜镍合金、铜镍锌合金HRH 3.175mm钢球 50(490) 80-100 铝、铅、锌HRK 3.175mm钢球10(98)140(1372) 40-100 轴承合金，较软金属，薄材材料工程学院实验中心第 5 页 共 12 页角线平均长度 dd= (1-7)式中 d1 和 d2 分别是两个不同方向的对角线长度,用以计算压痕的表面积.所以维氏硬度值（HV ）就是试验力 F 除以压痕表面
10、积 A所得的商。当试验力 F 为 1kgf（9.8N）时计算公式为HV= =1.8544 (1-8)当试验力 F 的单位为 N 时计算公式如下:HV= =1 .891 (1-9)3.显微硬度金属显微硬度实验原理与宏观维氏硬度试验法完全相同。只不过所用实验力比小负荷维氏硬度试验力试验时还要小。金属显微硬度的符号、硬度值的计算公式和表示方法与宏观维氏硬度试验法完全相同。3、 实验设备及材料1.硬度计；2.读书显微镜：最小分度值为 0.01mm。3.标准硬度块：不同硬度试验方法的标准硬度块。4.材料：20、45、T8、T12 钢退火态、正火态、淬火态及回火态试样，尺寸为 1010mm 。4、 试验步
11、骤与方法1.了解各种硬度计的构造、原理、使用方法、操作规程和安全注意事项。2.对各种试样选择合适的试验方法和仪器，确定实验条件。根据实验和试样条件选择压头、载荷。2d1A2d10.2F材料工程学院实验中心第 6 页 共 12 页3.用标准硬度块校验硬度计。4.试样支撑面、工作台和压头表面应清洁。保持载荷规定的时间（对布氏、维氏硬度，卸去载荷后用读书显微镜测量压痕尺寸，计算或查表） ，卸去载荷准确地记录试验数据。5、 注意事项1.试样两端要平行，表面应平整，若有油污或者氧化皮，可用砂纸打磨，以免影响测量。2.圆柱形试样应放在带有 V 形槽的工作台上操作，防止试样滚动。3.加载时应细心操作，以免压
12、坏压头。4.测完硬度值，卸掉载荷后，必须使压头完全离开试样后再取下试样。5.金刚石压头系贵重物件，质硬而脆，使用时要小心谨慎，严禁与试样或其他物件碰撞。6.应根据硬度试验机的使用范围，按规定合理选用不同的载荷和压头。6、 实验报告要求1.简述布氏硬度和洛氏硬度的试验原理，优缺点及应用。2.设计实验表格，将实验数据填入表内，对结果经行分析并经行必要的硬度值换算。3.分析4.用布氏硬度试验方法能否直接测量成品或者较薄的工件。材料工程学院实验中心第 7 页 共 12 页实验 1 附表表一压痕直径与布氏硬度对照表在下列载荷 P(kgf)下布氏硬度 HB 在下列载荷 P(kgf)下布氏硬度 HB压痕直径
13、d10,mm 30D2 10D2 2.5D2压痕直径d10,mm 30D2 10D2 2.5D2材料工程学院实验中心第 8 页 共 12 页2.502.552.602.652.702.752.802.852.902.953.003.053.103.153.203.253.303.353.403.453.503.553.603.653.703.753.803.853.903.954.004.054.104.154.20601578555534514495477461444429415410388375363352341331321311302293285277269262255248241235
14、229223217212207200193158178171165159154148143138133129125121118114110107104101989592.389.787.284.982.680.478.376.374.372.470.668.834.633.432.331.330.329.328.427.526.725.925.224.523.723.122.421.821.220.720.119.619.118.618.117.617.24.254.304.354.404.454.504.554.604.654.704.754.804.854.904.955.005.055.
15、105.155.205.255.305.355.405.455.505.555.605.655.705.755.805.855.902011971921871831791741701671631591561521491461431401371341311281261231211181161141111091071051031019967.165.563.962.460.959.958.156.855.554.353.051.950.749.648.547.546.545.544.643.742.841.941.040.239.438.637.937.136.435.635.034.333.733.116.816.416.015.615.214.914.514.213.913.613.3 13.012.712.412.211.911.611.411.210.910.710.510.310.19.869.669.469.279.108.908.768.598.438.26注：1.本表摘自国家标准金属布
