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1、 第一节 硬度试验 1、硬度 是表示材料表面一个小区域内抵抗弹性变形、塑性变形或破断的一种能力。是衡量金属软硬程度的判据,是代表着弹性、塑性、塑性形变强化率、强度和韧性等一系列不同的物理量组合的一种综合性能指标。2、硬度试验特点 首先，硬度试验设备简单，操作迅速方便，硬度是金属力学性能中最易测量的一种性能；其次，硬度和其它力学性能一样，也决定于金属材料的成分、组织与结构。它与其它力学性能之间存在一定的关系，因此可通过测定金属的硬度间接地获得其它力学性能的数值；最后，硬度试验压痕小，一般不损坏零件，可以直接在成品或半成品上测定，且不受被测物体大小、脆韧的限制。这是其它力学性能试验方法所不可及的优
2、点。2、硬度试验特点、硬度试验特点3 3、试验标准、试验标准 已颁布的已颁布的硬度试验标准硬度试验标准有：有：GB231GB2318484金属布氏硬度试验方法、金属布氏硬度试验方法、GB23084GB23084金属洛氏硬度试验方法、金属洛氏硬度试验方法、GB434184GB434184金属肖氏金属肖氏硬度试验方法、硬度试验方法、GB434084GB434084金属维氏硬度试验金属维氏硬度试验方法、方法、GB434284GB434284金属显微维氏硬度试验方法金属显微维氏硬度试验方法等等4 4、测试方法、测试方法 硬度的测试方法很多，一般多采硬度的测试方法很多，一般多采用用压入法压入法来测定硬度
3、。常见的有来测定硬度。常见的有布氏硬度法布氏硬度法、洛氏硬度法洛氏硬度法、维氏硬度法、显微维氏硬度法等，、维氏硬度法、显微维氏硬度法等，此外还有肖氏硬度试验法此外还有肖氏硬度试验法(回跳法回跳法)一、布氏硬度1、试验原理：布氏硬度试验是用一定的静力负荷F，将直径为D的淬火钢球或硬质合金球压入被测材料的表面，保持一定的时间后卸除负荷，测量试样表面的压痕直径d，如图51所示。图图51 布氏硬度试验原理布氏硬度试验原理布氏硬度有两种表示方法：一种是用压痕直径d表示，单位为mm；另一种是计算单位面积上承受的压力，即计算试样上的钢球或硬质合金球压痕的球冠面积S上承受的平均压力 式中：HBS布氏硬度值(压
4、头为淬火钢球时)；HBW布氏硬度值(压头为硬质合金球时)；F负荷(N)；S压痕面积，mmz；D钢球(或硬质合金球)直径，mm；h压痕深度，mm。在实际试验中，压痕深度值在实际试验中，压痕深度值h h的测量比较困难，而测量压痕直径的测量比较困难，而测量压痕直径d d比较方比较方便，因此将便，因此将(5(5-1)1)式中的式中的h h值换算成值换算成d d。由图。由图5 5-1 1中直角三角形中直角三角形O Oabab的关系可的关系可求出求出所以所以HBS(HBS(或或HBW)HBW)值的计算公式变为值的计算公式变为 式中式中F F、D D已知，只有已知，只有d d是变量，因而是变量，因而 用目测
5、显微镜测出用目测显微镜测出压痕直径压痕直径d d,即可计算出硬度值即可计算出硬度值HBS(HBS(或或HBW)HBW)。实际测实际测量时，可根据测出的量时，可根据测出的d d值从表中直接查出值从表中直接查出HBS(HBS(或或HBW)HBW)值。值。注意注意:布氏硬度单位为布氏硬度单位为kgfkgfmmmm2 2，但习惯上只写明硬度的数值而不标出，但习惯上只写明硬度的数值而不标出单位。单位。一般硬度符号一般硬度符号HBS(HBS(或或HBW)HBW)前面的数值为硬度值前面的数值为硬度值，符号后面的数值依次符号后面的数值依次表示球体直径、负荷大小及负荷保持时间表示球体直径、负荷大小及负荷保持时间
6、(保持时间为保持时间为101015s15s时不标注时不标注)。例如例如:120HBS10120HBS10100010003030表示用直径为表示用直径为10mm10mm的钢球，在的钢球，在1000kgf(9807N)1000kgf(9807N)负荷作用下保持负荷作用下保持30s30s，测得的布氏硬度值为，测得的布氏硬度值为120120。500HBW5500HBW5750750表示用直径为表示用直径为5mm5mm的硬度合金球，在的硬度合金球，在750kgf(7355N)750kgf(7355N)负负荷作用下保持荷作用下保持101015s15s，测得的布氏硬度值为，测得的布氏硬度值为500500。
7、压头选择：布氏硬度低于450的金属材料试验时其压头可选用淬火钢球，布氏硬度值在450650之间的金属材料试验时其压头可选用硬质合金球。根据被测金属材料的种类和试样厚度，选用不同大小的压头直径D、施加负荷F和负荷保持时间。压头直径有10、5、2.5、2和1 mm五种；负荷的保持时间为，黑色金属1015s，有色金属30s，布氏硬度值低于35时为60s。布氏硬度试验特点：布氏硬度试验特点：优点：测定的数据准确、稳定。优点：测定的数据准确、稳定。缺点：缺点：1 1、压痕较大，不宜测成品或薄片金属的硬度。、压痕较大，不宜测成品或薄片金属的硬度。2 2、操作较缓慢，对大量逐件检验的产品不适用。、操作较缓慢
8、，对大量逐件检验的产品不适用。2 2、试验设备、试验设备 布氏硬度试验在布氏硬度试验机上进行。常见的布氏硬布氏硬度试验在布氏硬度试验机上进行。常见的布氏硬度试验机有度试验机有油压式和机械式油压式和机械式两大类。机械式布氏硬度机如图两大类。机械式布氏硬度机如图5252所示。所示。图图52 HB一一3000型布氏硬度试验机外形型布氏硬度试验机外形 图图53洛氏硬度试验原理示意图洛氏硬度试验原理示意图-l一指示灯；一指示灯；2一压头；一压头；3一工作台；一工作台；4一立柱；一立柱；5一丝杠；一丝杠；6一一Y-；7一试验力砝码；一试验力砝码；8一压紧螺钉；一压紧螺钉；9一时间定位器；一时间定位器；10
9、一试验力按钮一试验力按钮3、实验步骤(1)首先选定压头，装入主轴衬套中，然后选定负荷，加上相应的砝码，确定加载时间(把圆盘上的时间定位器的红色指示点转到持续时 间相符的位置上)；(2)接通电源，使指示灯燃亮；(3)将试样置于工作台上，顺时针转动手轮，使压头压向试样表面，直至手轮对下面螺母不作相对运动为止；(4)按动试验力按钮，启动电动机 即施加试验力，当红色指示灯闪亮时，迅速拧紧紧压螺钉，使圆盘转动，达到所要求的持续时间后，转动即自行停止；(5)逆时针转动手轮，降下工作台，取下试样，用目测显微镜测出压痕直径d，根据此值从表中即可查出HB值。二、洛氏硬度 1、洛氏硬度 洛氏硬度试验法是目前工厂生
10、产检验中应用最广泛的硬度试验方法。2、实验原理 用一个顶角为120。的金刚石圆锥体或直径为1.588mm(1/16英寸)的淬火钢球为压头，在规定的载荷作用下压入被测金属表面，然后根据压痕深度来确定试件的硬度值。下图表示金刚石圆锥压头的洛氏硬度试验原理。实验步骤 试验时，先加初载荷98.07N (10kgf)，使压头紧密接触试件表面，此时压人深度为h1，然后加主载荷，继续压入金属中，待总载荷(初载荷+主载荷)全部加上并稳定后，将主载荷去除，由于被测试件金属弹性变形的恢复，压头压入深度是h3，压头在主载荷作用下压入金属中的塑性变形深度就是h(h=h3-h1)，并以此来衡量被测金属的硬度。显然，h越
11、大，金属的硬度越低；反之，硬度越高。考虑到数值越大硬度越高的习惯，故采用一个常数K减去h来表示硬度高低，并用0.002mm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，用HR表示。即式中K为常数，用金刚石圆锥压头时，K=0.2mm；用淬火钢球压头时，K=0.26mm。由此获得的洛氏硬度值HR只表示硬度高低而没有单位，试验时，可由硬度计的指示器上直接读出。根据金属材料软硬程度不一，可选用不同的压头和载荷配合使用，测得的硬度值分别用不同的符号来表示。三种常用的洛氏硬度符号、试验条件和应用列于下表。标尺标尺符号符号 所用压头所用压头总载总载k kgfgf测量测量范围范围(HR)(HR)应用
12、范围应用范围 HRAHRA HRB HRB HRC HRC金刚石圆锥金刚石圆锥 钢球钢球金刚石圆锥金刚石圆锥 6060 100100 150150 20208 88 8 2 20 0100100 20207070碳化物、硬质合金、淬火工碳化物、硬质合金、淬火工具钢、浅层表面硬化钢具钢、浅层表面硬化钢软钢、铜合金、铝合金、可软钢、铜合金、铝合金、可锻铸铁锻铸铁淬火钢、调质钢、深层表面淬火钢、调质钢、深层表面硬化钢硬化钢HRA,HRC所用刻度盘满刻度为100，HRB为130。1kgf=9.806N。常用洛氏硬度试验机如图54所示。其主要部件包括：机体和工作台、加载机构、千分表 1一支点；2-指示器
13、；3一压头；4一试样；5-试样台；6一螺杆；7一手轮；8-弹簧；9一按钮；1()一杠杆；11一纵杆；12-重锤；13一齿杆；14-油压缓冲器；15一插销；16-转盘；17-小齿轮；18一扇齿轮图54 H一100型洛氏硬度试验机结构图 实验步骤实验步骤 1 1、试验时，将符合要求的试样置于试样台上，顺时针旋转手、试验时，将符合要求的试样置于试样台上，顺时针旋转手轮，使试样与压头缓慢接触，直至表盘小指针指到轮，使试样与压头缓慢接触，直至表盘小指针指到“0”0”为止，为止，此时已加预载荷此时已加预载荷98N(10kgf)98N(10kgf)。2 2、然后将表盘大指针调整至零点、然后将表盘大指针调整至
14、零点(HRA(HRA、HRCHRC零点为零点为0 0，HRBHRB零零点为点为30)30)。按下按钮，平稳地加上主载荷。表盘中大指针反向。按下按钮，平稳地加上主载荷。表盘中大指针反向旋转若干格后停止，持续几秒旋转若干格后停止，持续几秒(视材料软硬程度而定视材料软硬程度而定)，3 3、之后再顺时针旋转摇柄，直到自锁时，即卸去主载荷。此、之后再顺时针旋转摇柄，直到自锁时，即卸去主载荷。此时大指针退回若干格，最后由表盘上可直接读出洛氏硬度值时大指针退回若干格，最后由表盘上可直接读出洛氏硬度值(HRA(HRA、HRCHRC读外圈黑刻度，读外圈黑刻度，HRBHRB读内圈黑刻度读内圈黑刻度)。特点特点优点
15、优点：操作迅速简便，由于操作迅速简便，由于压痕小压痕小，故可在，故可在工件表面或较薄的金属上进行试验。同时，工件表面或较薄的金属上进行试验。同时，采用不同压头和载荷，可以测出从极软到极采用不同压头和载荷，可以测出从极软到极硬材料的硬度。硬材料的硬度。缺点缺点：因压痕较小，对组织比较粗大且不均因压痕较小，对组织比较粗大且不均匀的材料，测得的硬度不够准确。匀的材料，测得的硬度不够准确。三、维氏硬度 维氏硬度的测试原理基本上和布氏硬度试验相同。1、试验原理 它是用一个相对面间夹角为136。的金刚石正四棱锥体压头，在规定载荷F的作用下压入被测金属表面，保持一定时间后卸除载荷。然后再测量压痕的两对角线长
16、度的平均值d，进而计算出压痕的表面积S，最后求出压痕表面积上平均压力(FS)，以此作为被测金属的硬度值，称为维氏硬度，用符号HV表示。即式中 F的单位为kgf，d的单位为mm。若F的单位采用N时(1kgf=9.80665N)，则(55)式改写如下：从式(55)可看出，维氏硬度的单位是kgfmm2，但习惯上只写出硬度数值而不标出单位。与布氏硬度值一样，在硬度符号HV之前的数字为硬度值，HV后的数值依次表示载荷和载荷保持时间(保持时间为1015s时不标注)。例如 1、640HV30表示在30kgf(2942N)载荷下，保持1015s测得的维氏硬度值为640。2、640HV3020表示在30kgf(2942N)载荷作用下，保持20s测得的维氏硬度值为640。维氏硬度试验常用的载荷有5(49.03)、10(98.07)、20(196.1)、30(294.2)、50(490.3)和100(980.7)kgf(N)等几种。试验时，载荷F应根据试样的硬度与厚度来选择。一般在试样厚度允许的情况下尽可能选用较大载荷，以获得较大压痕，提高测量精度。由式(55)和式(56)可知，当所加载荷F已选定，则硬度值
