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1、材料力学性能实验指导书（金属材料工程专业）张学萍刘志远沈阳理工大学二零一二年三月实验一硬度实验 3实验二材料力学性能综合实验 17、乙前言材料力学性能这门课的实验是该课的重要组成部分，是该理论课的基础，正确地掌握实验的理论和方法，对提高学生的动手能力、分析问题和解决问题的能力有重要意义。编写本实验指导书，是根据材料力学性能教学大纲及教材的有关内容、又根据我院设备、仪器实际情况编写的，这样，与教材的内容相一致，便于安排实验教学。本实验指导书将部分单项实验改为综合实验，材料力学性能综合实验不仅使学生建立完整的知识体系，还能有效地提高学生的整体思维能力和总结概括能力。本实验指导书适用于：材料成型及控
2、制工程专业编者2012 年 3 月图1-1洛氏硬度试验原理实验一硬度实验一.实验目的1 .掌握洛氏、布氏硬度的基本原理及测试方法。2 .根据材料的性质正确选择硬度计类型及压入条件。3 .熟悉各种硬度值之间的换算。二、实验内容用洛氏硬度计测定试样热处理前后的硬度；用布氏硬度计测定45刚退火后的硬度；观察维氏硬度计的操作方法（选做）。三、概述硬度试验操作简便，对工件损伤小，可在零件上直接测试，故在生产实践中应用很 普遍。硬度所表征的不是一个确定的物理量，它是衡量材料软硬程度的一种性能指标。硬度值的意义随试验方法而不同。硬度试验基本上可分为压入法和刻划法。对于以压入 法进行的硬度试验，其硬度值是表示
3、材料抵抗另一物体压入其表面的能力，洛氏、布 氏和维氏硬度都属于压入法硬度试验。（一） 洛氏硬度试验法。1 .洛氏硬度是以压痕的深度来表示 材料的硬度值。图1-1为洛氏硬度试验 原理图。测试洛氏硬度时，用规定的压头，先后施加两个负荷：预负荷Fo和主负荷F1。总负荷F= F0+F1。图1-1中，0-0位置为未加负荷时的压头位置；l-l位置为施加10kg预负荷后的位置，压入深度为h1； 2-2位置为加上主负荷后 的位置，此时压入深度为 h2； 3-3位置 为卸除主负荷后由于弹性变形的恢复而使压头略微提高的位置，此时压头的实际压入深度为h3。由主负荷引起的残余压入深 度h=h3-hi,用此来衡量金属硬
4、度值的大小。若直接用 h来表示硬度，则会出现硬的金 属硬度值小，而软的金属硬度值反而大的现象。不符常规。为了适宜人们认为数值愈大硬度值愈高的习惯概念，人为规定，用一常数 K减去h来表示硬度的太小，并规定 每0.002mm为一个洛氏硬度单位。因此，洛氏硬度值的计算公式可写成：K S3%）HR0.002式中：hi一预加负荷压入试样的深度 （mm）;h3一卸除主负荷后压人试样的深度 （mm）;K 一常数。A 和 C 标尺 K=0.2mm , B 标尺 K=0.26mm。因此，洛氏硬度值的计算公式还可以写成：h3 h1HRC （或HRA） 100 -10.002h3 - h1HRB 130-0.002
5、试验时，可选用不同的压头和不同的主负荷，洛氏硬度标尺也随之变化。表1-1为各种洛氏标尺及试验条件。表1-1各种洛氏标尺及实验条件标尺、 一，-符头 总负荷:丁金刚石120 圆锥钢球1/16 钢球1/8 钢球1/4钢球1/2160AFHLR100DBEMS150CGKPV表1-1中最常用的是 HRA、HRB、HRC等三种。表1-2为这三种洛氏硬度标尺 的试验条件和应用。表1-2三种洛氏硬度标尺的试验条件和应用洛氏 硬度 值测 量范围HR标 尺压头形 状预负 荷 （公 斤力）主负 荷 （公 斤力）总负 荷 （公 斤力）符号大致相 当的维 氏硬度 值表盘 上刻 度的 颜色应用20-67C金刚石120
6、 锥10140150HRC240-900里 八、碳钢、工具 钢及合金 钢等淬火 和回火后的硬度25-100B1/16 钢 球1090100HRB60-240红有色金属 及合金退 火锅等低 硬度零件 的硬度70-85A金刚石120 锥105060HRA390-900里 八、碳化物、硬 质合金及 表面硬化 零件等2 .洛氏硬度计的操作规程洛氏硬度计由机体、加荷机构、测深机构和压头等组成。1）根据试样的材质、形状和尺寸选择压头、负荷，并安装到位；2）试样平放在载物台上，将压头对准试样表面待测部位；3）顺时针转动载物台升降手柄使试样接触压头，继续转动手柄使百分表的小指针指向红点，这表明预负荷已加完，此
7、时要求大指针不偏离刻度盘零点/个刻度；4）转动刻度盘使其零点对准大指针；5）扳动加荷手柄施加主负荷，施荷时闻46秒，然后平稳地把手柄扳回到卸荷位置；6）从刻度盘的相应标尺读出指针所指的硬度值；7）逆时针旋转手轮，取出试样，测试完毕。测试洛氏硬度时应注意:为保证试验结果的精度，试样表面应平整、无油污、无氧化皮及凹坑等；试样的厚度不应小于压痕深度的10倍。两相邻压痕中心距离及压痕中心至试样边缘距离均不得小于3mm。洛氏硬度试验如在圆柱或球形表面进行时，应对试验结果加以校正。校正值可通过下列计算公式求得：对圆柱面:100 HRCHRC 610对球面:100 HRCHRC 12 10式中： HRC 应
8、加上的校正值;HRC 球面或圆柱面的硬度；D球或圆柱的直径。试样的安装必须保证压头所施加的作用力垂直于待测面，对于弯曲及其他不规 则形状的试样，必须采用相应的专用工作台。如对圆柱式样须用V形工作台;每个试样的试验次数不应少于两次，取其平均值。（二）布氏硬度试验法布氏硬度与材料其他的机械性能关系密切，尤其是与抗拉强度极限存在近似的换 算关系：0b=K HB （其中K为常数，不同的材料有不同的K值），这在生产中有很重要的意义。1 .布氏硬度的测试原理图1 2为布氏硬度测试原理图。 用一定大小的负荷 P（公斤力），把直径力D （mm） 的淬火钢球压人被测试样的表面，保持一定时间后卸除负荷。测量试样表
9、面压痕的直 径d,计算出布氏硬度值，用符号HB表示。该值的大小就是试样表面压痕单位面积上 所承受的压力。即：HB P/F P/Dh 2P/D（D- ,D2 d2）kg/mm2式中：D 钢球直径（mm）;P试验负荷（有3000; 1000; 750; 250等）；压痕直径（mm）。图1-2布氏硬度测试原理图图1-3压痕相似原理由于金属材料软硬不一，薄厚不同，若只采用一种标准负荷P和钢球直径D,就会出现这种现象：若对硬的材料合适，对软的材料就可能使钢球陷入材料内；若对厚 的材料适用，对薄的材料就可能压透。因此，实际进行布氏硬度试验时，要求选用不 同的负荷P和钢球直径 Do但对于同一种材料采用不同的
10、P和D进行试验，能否得到相同的布氏硬度值，关键在于压痕的几何形状是否相似。图1 3表示两个不同直径的压头Di和D 2在不同载荷P1和P2作用下，压入金属表面的情况。有图可得出：d=Dsin d Dsin 一2P2即：HB 2D (11 sin2 /2)由上式可看出，假若压入角不变时，为使同一材料的HB值相同，还应保持P /D2也为常数。国标GB23163中规定布氏硬度试验时 P/D2的比值为30、10、2.5三种。根据金属材料种类，试样硬度范围和厚度的不同按表1-3选才i P、D及加荷时间。表1-3布氏硬度试验的规范金属 回布氏硬度值（HB）试样厚度 （mm）负荷P与 钢球直径 D的关系钢球直
11、径 （mm）负荷P (kg)负荷保持 时间（s）6-3103000140-4504-2P=30D2575010黑色6101000V 1406-3P=10D252501032.562.5金刚石120圆锥1306-34-22P=30D21052.53000750187.530有色 金属36-1309-36-36102508-356-3P=2.5D2562.53032.515.62.布氏硬度的表示方法：例如用 D=10mm, P=3000kg ,负荷保持时间为10秒时所 测得的硬度值为 280,则表示为HB280。在其它条件下测得的 HB值应注以相应的试 验条件，例如 HB 5/250/30100,
12、表示D=5mm , P=250kg ,负荷保持时间为 30秒的条件下 测得的HB值为100。3 .布氏硬度计的操作规程（以HB 3000B型为例）布氏硬度计由机体、工作台、加荷机构、换向开关系统（电子控制系统）和压入 头等部分组成。1）根据材料选择负荷、压入头及施荷时间；2）把载物台、负荷、压入头装好；3）首先打开开关，接通电源，此时电源指示灯亮。实验力选择好后，按动实验力保持时间按钮（ 12 秒、 30 秒或 60 秒）4）将试样放到载物台上，顺时针转动手轮使载物台缓缓上升，试样与压头接触直至手轮与螺母产生相对滑动，按动启动按钮，硬度计即可自动完成一个工作循环。 ；5）试验结束后，转动手轮，
13、取下试样，用读数显微镜测量试样表面的压痕直径。6）根据压痕直径、负荷大小、钢球直径查硬度换算表或用公式计算均可得出布氏硬度值。附表1 5 列出布氏硬度试验中压痕直径与硬度值之间的关系。4 .布氏硬度试验中的注意事项5 ） 试样表面应光滑、无氧化皮和污物；2）试样的厚度应不小于压痕深度的 l0 倍；3）相邻压痕中心距离不小于压痕直径的四倍，压痕中心距试样边缘的距离应不小于压痕直径的 2.5 倍；4）压痕直径应在 0.25Dd0.6D 范围内，否则试验结果无效；5）只可用来测定硬度小于HB450 的金属材料。（ 四 ）各种硬度间的换算附表 1-7 中列出布氏、洛氏和维氏硬度间的换算。洛氏硬度和布氏
14、硬度之间有一定的换算关系。对钢铁材料而言， HB 2HRB HB 10HRC （只当 HRC=40 60范围）四、实验仪器、设备及材料HRS-150 型洛氏硬度计； HR-150A 型洛氏硬度计； HB-3000B 型布氏硬度计读数显微镜。45 钢退火件； 45 钢或 T10 钢淬火件；纱布等。五、实验步骤1 . 分组熟悉各种硬度计的构造及操作方法。2 .用砂纸打磨试样的表面3 .进行硬度测定，洛氏硬度（ HRB 、 HRC ）每个试样测三点，取平均值并记录在下表中； ，布氏硬度（ HB ）每个试样测两点，然后用读数显微镜测试样表面的压痕直径，测得结果查表1-5确定试样的硬度值，取两点的平均值并记录在下表中。项目试样实验规范实验结果换算成 布氏硬
