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。测量硬度的方法主要有压入法、回跳法和刻划法三大类：

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：σ_b=K×HB σ_b ：材料的抗拉强度值；HB：布氏硬度值；K：系数

洛氏硬度测试法

（1）洛氏硬度试验的基本原理

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。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（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k＝0.2mm（用于HRA、HRC）；采用钢球时k＝0.26mm（用于HRB）。

    因此上式可改为：

HRC（或HRA）＝ ；HRB＝

表1  洛氏硬度试验力及应用范围（GB/T 230-1991）

表注： (1) 金刚石圆锥的顶角为120°+30'，顶角圆弧半径为0.21±0.01mm

(2) 初负荷均为10公斤

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. 金属试样试验

4. 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

 

第二篇：实验1 金属材料硬度测定

 

 

 

 

 

 

 

金属材料及热处理实验指导书

（20##-2015秋季学期）

                                  

                                     指导教师：龚成功

实验1 金属材料硬度测定

一、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。

二、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。

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，mm²。

                 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=πDh                   （1-2）

式中    D——钢球直径，mm;

        h——压痕深度，mm。

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/2 )]^1/2

                     h=[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值也可以经行比较。

表1-1 布氏硬度试验范围

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,并按(1-6)换算出相应的硬度值。因此，在试验过程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α=136°的金刚石四棱椎体。压头在试验力F（单位是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角线平均长度d

                d=                                                  (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。

三、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Φ10×10mm。

四、试验步骤与方法

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。

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。

五、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。

六、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。

实验1附表

表一压痕直径与布氏硬度对照表

注：1.本表摘自国家标准金属布氏硬度试验法(GB231-63)中规定的数据。

    2.表中压痕直径为D＝10mm钢球的试验数据，如用D＝5mm或D＝2.5mm钢球试验时，则所得压痕直径应分别增至2倍4倍。例如用D＝5mm钢球在750kgf载荷下所得的压痕直径为1.65mm，则在查表时采用1.65×2=3.30mm，而其相应硬度值为341。1kgf=9.80665N。

表二各种硬度（布氏、洛氏、维氏）换算表

注： 1.本表摘自国家标准GB1172-74中所列数据。

     2.表中带有括号“（ ）”的硬度值是超出范围的，只是提供参考。