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1、实验一、金属材料的硬度实验一、实验目的1. 了解硬度测定的基本原理及应用范围。2. 了解洛氏硬度试验机的主要结构及操作方法。二、实验原理硬度是金属材料局部抵抗硬物压入其表面的能力或金属材料表面抵抗局部塑性变形的能力。硬度测量能够给出金属材料软硬程度的数量概念。硬度值越高，表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。另外硬度与其他机械性能（如强度指标b及塑性指标和）之间有着一定的内在联系【低碳钢b0.36HB，高碳钢b0.34HB，合金调质钢b0.36HB，灰铸铁b0.1HB】。所以从某种意义上说硬度的大小对于机械零件或工具的使用性能及寿命具有决定性意义。测量硬度的方法主要有压入法
2、、回跳法和刻划法三大类：压入硬度：主要用于金属材料，方法是用一定的载荷将规定的压头压入被测材料，以材料表面局部塑性变形的大小比较被测材料的软硬。由于压头、载荷以及载荷持续时间的不同，压入硬度主要有布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度等几种。布氏硬度洛氏硬度维氏硬度显微硬度测试材料较软（有色金属、热处理之前或退火后的钢铁）硬质合金、有色金属、调质钢等（1）较大工件，较深表面层（P=101000N）；（2）较薄工件、工具表面或镀层（P=1.96149.03N）（3）金属箔类（P1.961N，显微硬度）合金中不同相、表面硬化层、化学热处理渗层、镀层及金属箔材原理淬火钢球（HBS，适用HB450）或
3、硬质合金球（HBW,适用450HB650）压入被测材料表面，一段时间后卸荷。测定压痕深度来表示材料的硬度值同布氏硬度，但压头不是球体，采用夹角为136o的四棱锥体金刚石压头同维氏硬度，(P=0.010.2kgf)公式HBS(HBW)=P/AHR=（k-h）/0.002Hv= 0.102F/A=18.173P/d2示意图仪器回跳硬度：主要用于金属材料，方法是使用一特制的小锤从一定高度自由下落冲击被测材料的试样，并以试样在冲击过程中的储存（继而释放）应变能的多少（通过小锤的回跳高度测定）确定材料的硬度。划痕硬度：主要用于比较不同矿物的软硬程度，方法是使用一端硬一端软的棒，将被测材料沿棒表面划过，根
4、据出现划痕的位置确定被测材料的软硬。定性地说，硬物体划出的划痕长，软物体划出的划痕短。在机械工业中广泛采用压入法来测定硬度。压入法硬度试验的主要特点是：实验时应力状态最软（即最大切应力远远大于最大正应力），因而不论是塑性材料还是脆性材料均能发生塑性变形。金属的硬度与强度指标之间存在如下近似关系：b=KHBb ：材料的抗拉强度值；HB：布氏硬度值；K：系数 退火状态的碳钢 K0.340.36 合金调质钢 K0.330.35 有色金属合金 K0.330.53硬度值对材料的耐磨性、疲劳强度等性能也有一定的参考价值，通常硬度值高，这些性能也就好。在机械零件设计图纸上对机械性能的技术要求，往往只标注硬度
5、值，其原因就在于此。硬度测量后由于仅在金属表面局部体积内产生很小压痕，并不损坏零件，因而适合于成品检验。莫氏硬度笔（对应材料镶嵌在笔头）：表示矿物硬度的一种标准。1824年由德国矿物学家莫斯(Frederich Mohs)首先提出。应用划痕法将棱锥形金刚钻针刻划所试矿物的表面而发生划痕,习惯上矿物学或宝石学上都是用莫氏硬度。用测得的划痕的深度分十级来表示硬度：1滑石(Talc)（硬度最小），2石膏(Gypsum)，3方解石(Calcite)，4萤石(Fluorite)，5磷灰石(Apatite)，6正长石(Feldspar; Orthoclase; Periclase)，7石英(quartz)
6、，8黄玉(topaz)，9刚玉(corundum)，10金刚石(diamond)。1. 洛氏硬度测试法（1）洛氏硬度试验的基本原理洛氏硬度测试法是目前应用最广泛的硬度试验方法。洛氏硬度试验的原理和布氏的不同在于：它不是以测量压痕的面积来计算硬度，而是根据压痕深度来确定硬度值指标。一般洛氏硬度机不需要直接测量压痕深度，其值可由刻度盘上的指针指示出来（或液晶显示屏显示）。洛氏硬度测定时，在规定条件下，将压头（顶角为120的金刚石圆锥或直径为1/16（1.588mm）的淬火钢球或硬质合金球）分两个步骤压入试样表面。卸除主试验力后，在初试验力下测量压痕残余深度h，然后根据压痕的深度确定被测金属材料硬度
7、值的方法称为洛氏硬度测试法，具体过程如下：图1 洛氏硬度试验原理图图1中0-0位置为未加载荷时的压头位置，1-1位置为加上10 Kgf预加载荷后的位置，此时压入深度为h1，2-2位置为加上主载荷后的位置，此时压入深度为h2，h2包括由加载所引起的弹性变形和塑性变形，卸除主载荷后，由于弹性变形恢复而稍提高到3-3位置，此时压头的实际压入深度为h3。洛氏硬度就是以主载荷所引起的残余压入深度（h=h3-h1）来表示。但这样直接以压入深度的大小表示硬度，将会出现硬的金属硬度值小，而软的金属硬度值大的现象，这与布氏硬度所标志的硬度值大小的概念相矛盾。为了与习惯上数值越大硬度越高的概念相一致，采用一常数（
8、k）减去（h3-h1）的差值表示硬度值。为简便起见又规定每0.002mm压入深度作为一个硬度单位（即刻度盘上一小格）。洛氏硬度值的计算公式如下：HR=（k-h）/0.002 (h=h3-h1) 式中：h1-预加载荷压入试样的深度（mm）；h3-卸除主载荷后压入试样的深度（mm）；k-常数，采用金刚石圆锥时k0.2mm（用于HRA、HRC）；采用钢球时k0.26mm（用于HRB）。 因此上式可改为：HRC（或HRA） ；HRB洛氏硬度测试法测硬度简便、迅速、压痕小，可测定的材料范围广。但由于压痕小，对组织比较粗大且不均匀的材料，所测结果不够准确，因此，需要在试样上测定三点取其平均值。硬度反映材料
9、的耐磨性，也是金属材料的一项重要性能指标。由于洛氏硬度试验所用的试验力较大，不易用于测定极薄试样及渗碳层、金属镀层的硬度，因此可在洛氏硬度试验原理的基础上，通过减小试验力，提出了表面洛氏硬度的试验方法。表面洛氏硬度二等标尺有6种，可参见我国现行标准GB 1818-1994金属表面洛氏硬度试验方法国家标准及其修订标准。 洛氏硬度试验采用3种试验力，3种压头，它们共有9种组合，对应于洛氏硬度的9个标尺。这9个标尺的应用涵盖了几乎所有常用的金属材料。其中以HRA、HRB和HRC三种洛氏硬度最为常用。洛氏硬度中HRA、HRB、HRC中的A、B、C为三种不同的标准，称为A标尺、B标尺、C标尺。三种标尺的
10、初始压力均为98.07N（10kgf）【千克力就是一千克物质在地球上受到的地心引力，即1N=0.102kgf或1kgf=9.8N】，最后根据压痕深度计算硬度值。标尺A使用的是球形菱形压头，然后加压至588.4N（60kgf）；标尺B使用的是直径为1/16（1.588mm）的淬火钢球，然后加压至1471N（150kgf），因此标尺B适用于较软的材料检测；标尺C适用于较硬材料的检测。其中HRC标尺用于测试淬火钢、回火钢、调质钢和部分不锈钢。这是金属加工行业应用最多的硬度试验方法。HRB标尺用于测试各种退火钢、正火钢、软钢、部分不锈钢及较硬的钢合金。HRA标尺尽管也可用于大多数黑色金属，但是实际上一
11、般只限于测试硬质合金和薄硬钢带材料。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。表1 洛氏硬度试验力及应用范围（GB/T 230-1991）标尺符号/压头总负荷/N(kgf)初试验力F0主试验力F1实用范围应用范围HRA 120o金刚石圆锥6010506085碳化物、硬质合金、淬火工具钢、浅层表面硬化层HRB直径1.588mm钢球100109025100软钢（退火态、低碳钢正火态）、铝合金HRC120o金刚石圆锥150101402067淬火钢、调质钢、深层表面硬化层表注： (1) 金刚石圆锥的顶角为120+30，顶角圆弧半径为0.210.01mm(2) 初负荷均为10公斤（2）洛
12、氏硬度试验机的结构和操作1、接通电源，开机，有滴，滴两声提示音2、设置试验点数（一般为3），最后得到平均值3、设置标尺：HRA，HRB，HRC4、设置保荷时间（一般为5s）*5、设置标尺转换：仪器自动换算6、试验力的选择：根据表1选择注意：变换试验力时，必须处于卸荷状态，转动变荷手把选择试验力。7、安装压头：注意：必须消除压头与主轴端面的间隙，过程如下：装上压头，并用螺钉轻轻固定，然后将标准块或试件放置于工作台上，按下启动键，旋转手轮加上初试验力后，系统自动将主试验力加于压头上，在总试验力保持状态下，将螺钉松开再拧紧，即可消除。8、开始测试：（a）试样平稳放置在工作台上，在试验过程中不应发生移
13、动现象。（b）按下启动按钮，LCD下方显示加初试验力，然后旋转手轮将工作台提升，并顶起压头，通过观察LCD上方的进度条出现即可停止旋转，此时LCD下方显示稳定中。接着系统自动开始加荷直到主试验力，并保持一段时间（一般为5s），计时结束时，LCD下方显示卸初试验力并显示硬度值。（c）转动手轮使试件下降，结束测试过程。然后重复两次(b)操作，得到一个平均硬度值。注意：压痕中心之间以及离边缘的距离大于3mm（3）注意事项：（a）试样表面需平整光洁，不得带有油、氧化皮、裂缝、凹坑等。可用细砂轮或砂纸将工件表面磨平，磨制过程中工件表面温度不得超过150oC。（b）根据工件的大小与形状选择适当的工作台，以
14、保证试件能平稳的安放在工作台上，并使被测表面与压头保持垂直。（c）根据被测金属材料的硬度高低，按表1选择压头、载荷。（d）试样厚度应不小于压痕深度的10倍。两相邻压痕中心距离及压痕中心至试样边缘的距离不应小于3mm。（e）加载时力的作用线必须垂直于试样表面。三、设备及试样HRS-150洛氏硬度计标准硬度块测试样品四、实验步骤1. 了解洛氏硬度计的构造、原理和使用方法，操作规程及注意事项2. 选择合理的压头、载荷及力的保持时间等参数3. 用标准硬度试验块校正硬度计的准确度4. 金属试样试验5. 数据记录五、实验报告要求1. 常见硬度测试方法，简述各压入法试验原理2. 数据记录及处理材料2045T8HRA/B/C123平均123平均123平均
