工程材料实验课.ppt

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1、工程材料实验 材料实验教学中心 张旭茗,实验一 平衡组织与非平衡组织观察 1. 平衡组织观察 2. 非平衡组织观察 实验二 金属硬度实验,实验注意事项 室内保持安静、整洁； 珍惜仪器； 一周左右交实验报告。,实验三 金属表面硬度实验 一、实验目的 1. 了解材料表面硬度的测试方法 2. 掌握布氏硬度、洛氏硬度及维氏硬度方法 3. 测试给定材料的布氏硬度、洛氏硬度,二、实验仪器 HRD-150型电动洛氏硬度计 HB-3000C电子布氏硬度计,金属硬度试验,硬度是金属抵抗局部变形，特别是塑性变形，压痕或划痕的能力，是衡量金属材料软硬程度的一种指标。,硬度试验方法,硬度是材料机械性能的一种整体综合指

2、标。 硬度值不仅与材料的弹性极限、弹性模量、屈服极限、脆性、还与材料结晶状态、原子间键结合力和原子结构等都有关系。 硬度测定的特点是不损坏工件、操作方便、迅速、效率高。,硬度试验应用,灵敏反映材料在化学成分、金相组织、热处理工艺、冷加工变形等差异； 试验方法简单，不必破坏工件，适合机械装备和零部件材质现场检测； 试验压痕很小，可检查金属表面层情况，脱碳与增碳、表面淬火及化学处理后的表面硬度等。,硬度试验方法分类,静压入试验 用以测定材料对永久变形的抗力。布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、显微硬度 划痕试验 测定材料对破裂的抗力。观察一种材料是否能被另一种材料划痕， 马氏划痕硬度、莫氏划痕硬度 犁槽

3、试验 将一钝头元件（通常为金刚石）以一定的载荷和相似条件下划过表面，以划痕宽度作为硬度的度量标准。Bierbaum硬度试验,硬度试验方法分类,回跳试验 或称弹性回跳法，测定材料对弹性变形的抗力。使一标准质量和尺寸的物体由试验表面弹回，取回跳高度作为硬度标准。肖氏硬度 阻尼试验 也称摇摆试验，测定材料对永久变形的抗力。摇摆法硬度 磨损试验 将试样压在一正在转动的圆盘上，以磨耗率作为硬度的度量标准 冲蚀试验 在标准条件下将磨料冲射到试验表面上，以在一定时间内损失的材料重量作为硬度的度量标准,静压入硬度试验,定义：抵抗永久压痕的能力。 原理：在一定的时间间隔里，将硬质压头压入所要 测试的金属表面，然

4、后测量压痕的深度 或大小。 优点：材料的硬度和其他物理特性之间存在着某种 关系，是一种非破坏性试验。 分类：宏观硬度 通常载荷在1KG 以上 显微硬度 通常载荷小于1KG(1g-500g) 纳米硬度 通常在更小的载荷范围,硬度试验的特点及应用 试样制备简单，可在各种不同尺寸的试样上进行试验，试验后试样基本不受破坏； 设备简便，操作方便，测量速度快； 测量范围大:可大(多晶体)可小(单个晶粒、表面渡层、手表内部小零件等)、可软可硬各种金属件都可做硬度试验；,硬度与强度之间有近似的换算关系，根据测出的硬度值就可以粗略地估算强度极限值(如碳钢b0.36HB)。 测定材料的硬度,定性分析材料的组织、性

5、能; 测定脱碳层深度; 定性分析夹杂物性质, 组成相的性质等。,2.洛氏硬度测定法,2.1 洛氏硬度的测量原理 用顶角为120的金刚石圆锥或为1.588mm的淬火钢球为压头,在规定载荷（初载荷及主载荷）的作用下压入材料表面,经规定保持时间后,卸除主试验力，根据压痕深度来确定硬度值。图1表示了洛氏硬度的测量原理。,图1.洛氏硬度试验原理示意图,0-0：未加载荷，压头未接触试件时的位置。 1-1：压头在预载荷P0(98.1N)作用下压入试件深度为h0时的位置。 h0包括预载所引起的弹形变形和塑性变形。 2-2：加主载荷P1后，压头在总载荷P= P0+ P1 的作用下压入试件的位置。 3-3：去除主

6、载荷P1后仍保留预载荷P0 时压头的位置，压入深度为h1。由于P1所产生的弹性变形被消除，所以压头位置提高了h，主载荷引起的塑性变形深度为:h= h1- h0,h值越大，试件越软，h值越小，试件越硬。 为适应数值越大硬度越高的概念，用一常数K减去h表示硬度的高低。并规定每0.002mm为一个洛氏硬度单位，用符号HR表示，则： 测量值直接在表盘上读出。 用金刚石圆锥压头时，常数K为0.2mm，硬度值由黑色表盘表示 ; 用钢球(=1.588mm)压头时，常数K为0.26mm，硬度值由红色表盘表示.,为了扩大洛氏硬度的测量范围，可用不同的压头和不同的总载荷配成不同标尺的洛氏硬度。洛氏硬度共有15种标

7、尺供选择，它们分别为：HRA，HRB，HRC，HRD，HRE，HRF，HRG，HRH，HRK，HRL，HRM，HRP，HRR，HRS，HRV；表面洛氏硬度标尺：HR45N、 HR30N、 HR15N和HR45T、 HR30T、 HR15T 。其中常用的几种标尺见表1。,表1.各种洛氏硬度值的符号及应用,2.2 洛氏硬度测定的优缺点 优点: 操作简便、迅速，适宜大生产； 压痕小，适宜测成品； 适用范围广，从极软到极硬、从极薄到极厚的材料都能测定。 缺点： 不同标尺硬度值之间不能相互比较； 对粗大组织的金属不适用。,硬度表示法如：38HRC、48HR30N、68HR30T等。 金属洛氏试验执行的现

8、行标准为： GB/T 230.12004 金属洛氏硬度试验 第1部分：试验方法,注意事项 试样表面要平滑干净； 试样或试验层最小厚度不小于金刚石压头h的10倍或钢球压头h的5倍； 试验后试样背面不得有肉眼可见的变形痕迹；,3.布 氏 硬 度 测 试 法,3.1 布氏硬度的测量原理 加载荷P,使直径为D的淬火钢球压头压入试件表面并保持一定时间，去载后，测量压痕直径d，算出压痕面积F， P/F即为布氏硬度，用符号HB表示。布氏硬度的测量原理如图2所示。,图2.布氏硬度试验原理示意图,式中：P测试用的载荷(kg)； D压头钢球的直径(mm)； d压痕直径(mm)； F压痕面积(mm2).,测出d,查

9、表即可得HB值,公式,压头直径有2.5mm，5mm，10mm三种; 载荷有15.6kg、62.5kg、182.5kg、250kg、750kg、1000kg、3000kg七种; 材料的软硬不同要配合使用。为了在不同直径的压头和不同载荷下进行测试时，同一种材料的布氏硬度值相同。D与P之间要满足相似原理。 如图3所示。,图3. 不同直径的钢球压头产生在几何上相似的压头,推倒得出:,只要使P/D2为一常数，就可使保持不变，从而保持了几何形状相似的压痕。 只要满足P/D2为常数，则同一材料测得的HB值是相同的。且不同材料测得的HB值也可进行比较。 国家标准规定P/D2的比值为30、10、5三种。 实验规

10、范见表2,式中:A为常数,表2 布氏硬度的实验规范,3.2 布氏硬度的表示方法 用10mm钢球，在3000kg载荷下保持10s，测得的布氏硬度值表示为字母HB加上所测得的硬度值，例如HB400。 在其他试验条件下，在HB后面要注明钢球直径、载荷大小及保载时间，例如：130HBW10/1000/30表示用10mm的硬质合金球在9.807kN载荷下保持30s测得的布氏硬度为130。 硬度值表示法中一般不写单位。 试验标准：GB 231.12002 金属布氏硬度试验 第1部分：试验方法。,3.3布氏硬度测定的优缺点 优点 因压痕面积较大，能反映较大范围内金属各组成相综合影响的平均值; 因压痕面积较大

11、,测值较准确,测量误差较小;而不受个别组成相及微小不均匀度的影响。 布氏硬度值和抗拉强度b间存在一定换算关系。 见表3。,表3. 布氏硬度与抗拉强度的关系,缺点 由于压痕大,只宜测半成品; 不宜测太薄，太软、太硬（0.25Dd0.6D）的材料； 对不同材料和厚度的试样需更换压头和试验力，测压痕直径费时，还得查表，所以效率低。,3.5 测量注意事项: d的范围应为0.25Dd0.6D，否则测量结果无效； 由于压痕周围存在变形硬化现象约2-3倍的d，要求相邻两个点的距离4d，软材料6d；否则测得的值将高于实际值； 试件厚度不小于压痕深度的10倍； 压痕离试件边缘的距离应不小于压痕直径。 安全注意事

12、项,4. 维氏硬度测试法,4.1 维氏硬度的测量原理 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，如图4所示。 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。,图4 维氏金刚石棱锥压头,维氏硬度的测试原理,压痕是一个底面为正方形的正四棱锥。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：F=d2/2sin68 硬度表示为：HV=P/F=1.8544P/d2kg/mm2 式中：P载荷； d对角线长度

13、； F压痕面积。,当载荷P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。,4.2压痕对角线的测量,压痕对角线长度是用附在硬度计上的显微测微器测量的。 测量精度可达10-3mm。应测出两条互相垂直的对角线的长度，取平均值。 规定两条压痕对角线之差与较短对角线之比不大于2%。若材料各个方向上的硬度不均匀而使比值2%者，需要在硬度值后面注明。,维氏硬度表示法 640 HV 30 表示用136金刚石压头在294.2N试验力作用下保持1015秒测得的维氏硬度值为640。 640 HV 30/20 表示用136金刚石压头在294

14、.2N试验力作用下保持20秒测得的维氏硬度值为640。,4.3 对试样的要求,要求试样经过抛光，试样厚度至少是压痕深度的10倍或者不小于压痕对角线的1.5倍，在满足这个条件的情况下尽可能选用较大载荷，可减少测量误差。,4.4 优缺点及注意事项 优点 可测定从极软到极硬各种金属材料的硬度,且不同载荷下的维氏硬度值可以进行比较。 维氏硬度值测量精确可靠，在材料科学研究中被广泛应用。,4.4 优缺点及注意事项 缺点 维氏硬度需测量对角线的长度，然后通过计算或查表才能得到硬度值。测量过程繁琐，工作效率低。在测量过程中，采用计算机控制测量过程，采集和处理数据，可能克服上述缺点并大大提高工作效率。,注意

15、维氏硬度两相邻压痕中心之间的距离，对于钢、铜及铜合金至少应为压痕对角线长度的3倍；对于轻金属、铅、锡及合金至少应为压痕对角线长度的6倍。如果相邻两压痕大小不同，应以较大压痕确定压痕间距。 金属维氏硬度试验执行的现行标准为： GB/T 4340.11999 金属维氏硬度试验 第1部分：试验方法。,5 使用硬度计应注意的事项,除了各种硬度计使用时特殊注意事项外，还有一些共同的应注意的问题，现列举如下：,1)硬度计本身会产生两种误差： 一是其零件的变形、移动造成的误差； 二是硬度参数超出规定标准所造成的误差。对第二种误差，在测量前需用标准块对硬度计进行校准。,洛氏硬度各标度有一事实上的适用范围，要根

16、据规定正确选用。例如，硬度高于HRB100时，应采用HRC标度进行测试；硬度低于HRC20时应用HRB标度进行测试。因为超出其规定的测试范围时，硬度计的精确度及灵敏度较差，硬度值不准确，不宜使用。 其他硬度测试法也都规定有相应的校正标准。,2) 压头避免撞击,保持清洁; 3)在试件允许的情况下，一般选不同部位至少测试三个硬度值，取平均值，取平均值作为试件的硬度值。,4) 对形状复杂的试件要采用相应形状的垫块，固定后方可测试。对圆试件一般要放在V形槽中测试。 5) 加载时动作要轻稳，加载时不能移动试样或转动压头。,实验内容 1洛氏硬度：不同热处理状态的T10钢或45号钢，每组7块试样，每个样打三个点取平均值，做出材料热处理状态与硬度对应的曲线图或表。 2. 45号钢布氏硬度，测量压痕的直径，利用公式计算布氏硬度值。,思 考 题 1最常用的硬度计有哪几类？其硬度用什么符号表示？ 2洛氏硬度计的测量原