工程材料实验指导书_工程材料

1实验一硬度试验一、实验目的1.了解布氏、洛氏硬度的试验原理及适用范围。2.了解布氏、洛氏硬度计的基本结构，掌握布氏硬度、洛氏硬度的试验方法。二、实验概述硬度是衡量金属材料软硬程度的一种力学性能指标。它是材料强度、韧性、塑性和弹性等许多力学性能指标的综合反映。硬度的试验方法很多，基本可分为压入法和刻划法两大类。压入法又可分为动载压入法和静载压入法。常用的布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度均属于静载压入法的硬度试验。硬度值的物理意义随着试验方法的不同，其含义也不同。压入法的硬度值是材料表面抵抗另一物体压入时所引起的塑性变形的能力。硬度实验是金属力学性能试验中最简单、迅速和易行的方法，可对零部件直接进行检验，且损伤小，为非破坏性试验。此外，硬度值和抗拉强度之间可以近似换算：MPaHBKb10式中K为系数，对不同材料和其不同的热处理状态K值不同，碳钢的K值为0.36，调质状态的合金钢为0.34，铸铝为0.26。正是因为硬度试验由上述优点，所以被广泛地应用于生产和科研等领域，布氏硬度和洛氏硬度就是硬度实验中最常用的两种方法。1、布氏硬度试验（1）原理用一定大小的载荷P，把直径为D的淬火钢球(或硬质合金钢球)压入被测金属表面，保持一定时间后卸除载荷，金属压痕的表面积F除载荷所得的商值就是布氏硬度值，用符号HB表示。试验原理如图1所示。DhPFPHB（kg/mm2）实际试验时，由于压痕深度h较难测量，所以将式中h换为压痕直径d的表达式：22212dDDh因此)222dDDDPFPHB（①布氏硬度值的计算与查表PDd图1布氏硬度试验原理图h2用读数显微镜测出压痕直径d后代入上述公式，即可算出布氏硬度值，但在实际应用中一般不用公式计算，只须查表（见附表）便可得到相应的布氏硬度值。②载荷及压头钢球的选择由于金属材料有软有硬，试样有薄有厚，有大有小，如果只采用一种标准的载荷和钢球直径，则可能对有些试样合适，而对另一些试样不合适，例如有些试样会发生整个钢球陷入金属中的现象或有些试样会出现被压透的现象。因此，进行布氏硬度试验时，要采用不同的载荷和不同直径的钢球。而对同一种材料采用不同的载荷及不同的压痕直径进行布氏硬度试验，其硬度值应相同。这样就必须使压痕的立体几何形状相似，即压入角恒定,这样才能保证所测硬度值相等。如图2所示。)2/cos1(2)2222DPdDDDPFPHB（，KDP2③压痕直径的范围用读数显微镜测得的压痕直径应在0.25D﹤d﹤0.6D范围内d过小，说明载荷和压头选择的小，数据准确性将降低，d过大，钢球刚度及试验机构不能承担，即欲使HB及恒定，P/D2亦应为一不变常数K，通常常数K值有30、10、2.5三种。只有利用不同的K值，才能将d调到上述规定范围，只有当K值相同时，测出的布氏硬度值才能相互比较。在测量布氏硬度时，应根据试样的牌号，金属种类，状态，厚度来选择P、D、DdPΦDdPΦDdPΦ图2压入角恒定示意图3K值。如表1所示。表1：布氏硬度试验规范金属种类布氏硬度值范围（HB）试样厚度（mm）K值（P/D2）压头直径D（mm）载荷P（kgf）保荷时间T（s）黑色金属140~4506~33010.03000104~25.0750〈22.5187.5140〉61010.01000106~35.0250有色金属1306~33010.03000304~25.0750〈22.5187.536~1309~31010.01000306~35.02508~35〉62.510.025060④布氏硬度的标注在选择P=3000kg、D=10mm，T=10s时，国家标准规定：可不标注布氏硬度值的单位（kgf/mm2）。所测得的硬度值可写成HB×××。如HB175、HB388。当P、D、T选择非上述数据时，应以有关数据标明。如HB5/250/30=180，则表示用5mm直径的压头、在250kgf载荷作用下、保荷30s后，所测得的布氏硬度值为180。⑤对试样的要求试样的硬度：试样的硬度应小于HB450，以防止压头变形和损坏。试样的厚度：试样的厚度不应小于压痕深度的10倍。试样的面积：必须保证压痕中心距试样边缘的距离不得小于压痕直径的2.5倍，两个压痕之间的距离不得小于压痕直径的4倍。这是为了避免压痕附近的硬化现象，导致相邻压痕减小，硬度偏高。试样的粗糙度≤Ra0.8μm(2)布氏硬度试验特点压痕面积大，能测出试样较大范围内的性能，不受个别组织的影响，特别适合测定灰铸铁、轴承合金和具有粗大晶粒的金属材料；数据稳定，重复性强；由于压痕较大，因此不适合成品及薄片金属检验。通常用于测定铸铁、有色金属、低合金结构钢等原材料及结构钢调质件的硬度。2.洛氏硬度试验（1）原理洛氏硬度试验也是压痕实验法。与布氏不同的是：布氏是测量压痕面积，洛氏4是测量压痕的深度。洛氏硬度试验法的压头采用锥度为120°的金刚石圆锥或直径为1.588mm（1/16in）的钢球。分别施加两次载荷，先加初载荷F1,然后加主载荷F2；再卸除主载荷。如图3所示，施加初载荷后压痕深度h0，h2为主载荷作用下的压痕深度，卸除主载荷后，由于试样弹性变形的恢复，使压头位置回升一段距离，此时压头受主载荷作用压入深度为h1，洛氏硬度就用（h1-h0）来表示。显然：（h1-h0）数值大，表示材料硬度低；数值小，表示材料硬度高。为了适应人们的习惯（即数值越大，硬度越高），人为规定，采用一常数K减去（h1-h0）来表示硬度值的大小。并规定每0.002mm为一洛氏硬度单位，用符号HR表示。当采用金刚石圆锥压头，总载荷为150kgf时，K值定为0.2，符号为HRC。则计算公式为002.0100002.0)(2.0002.0)(010101hhhhhhKHRC当采用Φ1.588mm钢球压头，总载荷为100kgf时，K值定为0.26，符号为HRB，则计算公式为：002.0130002.0)(26.00101hhhhHRB洛氏硬度共有15种标尺，常用的C、B、A三种，有关参数如表2所示。根据上述表格的参数，结合待测试样的状态，可以选用相应的标尺来测量。一般黑色金属淬火后，选用C标尺，黑色金属的供应状态硬度及有色金属选用B标尺，试件较薄又硬度很高以及表面硬化工件选用A标尺。h2图3洛氏硬度试验原理图5表2：洛氏硬度试验规范标尺符号压头型号负荷（kg）标尺应用范围应用举例初主总C120℃金刚石压锥1014015020~66淬火、调质钢件BΦ1.588钢球压头109010025~100退火钢件和有色金属A120℃金刚石压锥10506068~85硬质合金、表面硬化件(2)洛氏硬度试验特点洛氏硬度试验可由硬度计表盘直接读出硬度值，操作简单迅速，适用于成批零部件的检验；采用不同形式的压头，可测量的材料范围较广；由于压很小，代表性差，数据分散，精确度没有布氏硬度高。三、操作方法1.布氏硬度试验①本实验选用P=3000Kg；D=10mm；T=10s。②布氏硬度试验的试样表面应无氧化层、油污及表面缺陷，试验面与硬度计支撑面平行。③将试样放在工作台上，顺时针转动手轮，使压头与试样接触，继续转动手轮至手轮打滑④按动加载按钮，硬度计自动进行加载、保持载荷及卸载。⑤待加载电机停止转动，载荷回到原位后，逆时针转动手轮，取下试样。用读数显微镜测量试样表面的压痕直径，水平方向、垂直方向各测量一次，然后取平均值，查表即可。2.洛氏硬度试验①根据试样大致硬度，选择测量标尺。如本试验件45钢淬火、T8淬火、T12淬火应选择C标尺，LY12淬火件则应选择B标尺。②将试样放在工作台上，顺时针转动手轮，加初载荷，使工作台缓慢上升，当试样与压头接触后，表盘内的小指针开始转动，使小指针指到红色点，同时还要保证大指针要在C或B点附近±5格以内，将大指针调零。③将加载手柄向前推转45°，加主载荷（注意不要用力过大，以免产生震动，影响测量精度），表盘内大指针停止转动后，保持数秒再向后将手柄扳回至原始位置，这时卸除主载荷保留初载荷。④由表盘大表针停留位置，直接读出硬度值。⑤逆时针转动手轮，移动试样或取下试样。在每个试样的不同位置测三点。6四、实验仪器和实验材料1.实验仪器HB-3000型布氏硬度计HR150型洛氏硬度计20X读数显微镜2.实验材料试样材料牌号材料状态硬度范围45原材料（供应态）HB160~240T8原材料（供应态）HB170~26045淬火+200℃回火HRC40T8淬火+200℃回火HRC50LY12淬火+自然时效HRB50五、实验报告1.写出实验目的2.将实验数据填写在下表（1）布氏硬度试验材料及状态压痕直径（mm）HB横向纵向平均（2）洛氏硬度项目试验材料及状态试验规范实验结果压头总载荷（Kgf）硬度标尺第一次第二次第三次平均硬度值73.实验分析1.HRC、HRB在测量时所用的压头，载荷和读数方法有什么区别，各适用于测量什么材料？2.说明布氏硬度与洛氏硬度试验的优缺点与应用范围。3.下列工件应采用何种硬度试验方法检测其硬度？（1）锉刀（2）黄铜轴套（3）供应态的各种碳钢（4）硬质合金刀片（5）轴承内、外圈（6）耐磨工件表面硬化层8附表：压痕直径与布氏硬度及相应洛氏对照表d102d54d2.5HBHRd102d54d2.5HBHR30D210D22.5D2HRBHRCHRA30D210D22.5D2HRBHRCHRA2.2078072893.2036312130.339702.2574569853.2535211729.338692.3071267853.3034111428.837692.3568265843.3533111027.636682.4063563833.4032110726.735682.4562761823.4531110425.934672.5060159813.5030210125.233672.5557858803.5529397.724.531662.6055556793.6028595.023.730662.6553454783.6527792.323.127642.7051452773.7026989.722.428652.7549551773.7526287.221.627642.8047749763.8025584.921.226642.8546148743.8524882.620.725632.9044447743.9024180.420.110024632.9542945733.9523573.319.69923623.0041534.644734.0022976.319.19822623.0540133.443724.0522374.318.69721613.1038812932.341714.1021772.418.19720613.1537512531.340714.1521170.617.5969d102d54d2.5HBHRd102d54d2.5HBHR30D210D22.5D2HRBHRCHRA30D210D22.5D2HRBHRCHRA4.2020768.817.2955.1513444.611.2744.2520167.116.8945.2013143.710.9725.201314.3019765.516.4935.2512842.810.7715.251284.3519263.916.0925.3012641.910.5695.301264.4018762.415.6915.3512341.010.3695.351234.4518360.915.2895.4012140.210.1675.401214.5017959.514.9885.4511839.49.86665.451184.5517458.114.5875.5011638.69.66655.501164.6017056.814.4865.5511437.99.46645.551144.6516755.513.9855.6011137.1