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一、《工程材料学》实验实验一金属材料的硬度测试一、实验目的1．了解不同种类硬度测定的基本原理及应用范围；2．了解布氏、洛氏硬度实验的操作方法及设备特点；3．学会使用硬度计。二、实验原理金属材料的硬度可以认为是金属材料表面局部区域在接触应力作用下抵抗塑性变形或破裂的能力。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反映压痕附近局部体积内金属的弹性、微量塑变抗力、塑变强化能力以及大量形变抗力，是表征材料性能的一个综合参量。硬度值越高，表明金属抵抗塑性变形能力越大，材料产生塑性变形就越困难。硬度测量能够定量地给出金属材料软硬程度的相对数量概念。硬度的实验方法有十多种，基本可分为压入法和刻划法两大类。在机械工业中广泛采用压入法来测定硬度。压入法又可分为布氏硬度、洛氏硬度等，它们只是一些不同的实验方法而已，没有什么必然的内在关系。压入法硬度实验有以下几方面的优点，导致它在生产和科研中的广泛应用：1、硬度实验设备简单，操作迅速方便；2、实验对象可以是各类工程材料和各种尺寸的零件，无须加工专门的试样，而且实验时一般不会破坏成品零件；3、作为一种综合的性能参量，硬度与其他机械性能指标之间有着一定的内在联系，从一定程度上，可用硬度实验结果估算相关性能而免做复杂的实验。如：金属的硬度与强度指标之间存在着如下近似关系：бb=K*HB式中：бb—材料的抗拉强度；K—系数，取值见表一；HB—布氏硬度。表一系数K取值表材料及状态退火碳钢合金调质钢有色金属合金K0.34~0.360.33~0.350.33~0.534、材料的硬度还与工艺性能之间有联系，可以作为评定材料工艺性能的参考；5、硬度能敏感地反映材料的成分与组织结构的变化，可用来检验原材料和控制冷热加工质量。（一）布氏硬度：布氏硬度实验是对试样施加一定大小的载荷P，将直径为D的钢球压入试样表面（如图1所示）保持一定时间，然后卸除载荷，根据钢球在试样表面上所压出的凹痕面积F凹求出平均应力值，以此作为硬度值的计量指标，用符号HB表示。计算公式如下：HB=P/F凹式中：HB—布氏硬度；P—施加外力，N；F凹—压痕面积，mm2。根据压痕面积和球面之比等于压痕深度h和钢球直径D之比的几何关系，可以求出：F凹=πDh式中：D—压头直径，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，而在数学表达式中可将h的改换成d来表示，这样，在实际测量时，可由压痕直径d直接查表得到HB值。当压头为淬火钢球时，硬度符号为HBS，适用于布氏硬度值低于450的金属材料；当压头为硬质合金球时，硬度符号为HBW，适用于布氏硬度值为450~650的金属材料。由于金属材料有软有硬，所测工件有厚有薄，若只采用一种载荷和同一个压头直径，则可能对有些试样合适，而对另一些试样不合适，会发生整个压头陷入试样中或将试样压透的现象。所以，在测定不同材料时应用不同的载荷P和不同的直径D的钢球。但为了得到统一的、可以进行相互比较的数据，必须使D和P之间维持一定的比值关系，以保证所得到的压痕形状的几何相似关系。经数学推导可知，只要满足P/D2=常数，所得到的HB值就是一样的，不同材料、不同载荷P和压头直径D所得到的HB可以进行相互比较。国标GB231-88对此进行了规定，具体实验数据和适用范围参见表一布氏硬度试验规范。表一布氏硬度试验规范材料硬度范围试样厚度/mmP/D2压头直径/mm载荷P/N载荷保持时间/s黑色金属140~450＜1406~34~2＜2＞66~3＜330101052.51052.52940073501837.598002450612.510铜合金及镁合金36~130＞66~3101059800245030＜32.5612.5铝合金及轴承合金8~35＞66~3＜32.51052.52450612.5152.8860试样厚度不应小于压痕深度的10倍。压痕中心距试样边缘的距离不应小于压痕直径的2.5倍，而距相邻压痕中心距离不小于压痕直径的4倍。用读数显微镜测量压痕直径时，应从相互垂直的两个方向测量，精确到小数点后两位的毫米值，并取其算术平均值。压痕直径之差应不大于较小直径的2%。实验后压痕直径大小应在0.25D＜d＜0.6D范围内，否则认为试验结果无效；试验后试样边缘与试样背面呈变形痕迹，则试验无效，这时均应重新选择试验条件重做。（二）洛氏硬度：洛氏硬度试验常用的压头为圆锥角1200、顶部曲率半径0.2MM的金刚石锥体或直径D=1.588mm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h0，以此作为测量压痕深度的基线，随后再施加主试验力F1，此时压痕深度的增量为h1。金属在F1作用下产生的总变形h1中包括弹性变形和塑性变形。当卸载后，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F1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0.002为单位表示）。e值越大表示金属洛氏硬度越低，反之，则表明硬度越高。为了照顾习惯上数值越大硬度越高的概念，用一常数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定位130。实际测量洛氏硬度时，由于在硬度计的压头上方装有百分表，可直接测量出压痕深度，并可直接按上式换算出相应的硬度值。因此，在实验过程中金属的洛氏硬度值可直接读出。为了测定软硬不同的金属材料的硬度，在洛氏硬度计上可配有不同的压头与试验力，组合成几种不同的洛氏硬度标尺，每一种标尺用一个字母在HR后注明。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。他们的试验条件、硬度值计算公式及应用实例如表二所示。表二洛氏硬度标尺试验条件、硬度值计算公式及应用实例标尺压头类型初试验力/kgf(N)主试验力/kgf(N)硬度值计算公式硬度值测量范围应用实例HRA金刚石圆锥体10(98)50(490)HRA=100-e65~85高硬度的薄件、表面处理钢件、硬质合金等HRC140(1372)HRC=100-e20~67调质钢、淬火钢等HRB∮1.588mm淬火钢球90(882)HRB=130-e25~100有色金属、退火及正火钢等三、实验设备、仪器和试样1．硬度计。布氏、洛氏硬度计；2．读数显微镜。最小分度值为0.01MM；3．标准硬度块。不同硬度方法的标准二等硬度块各一套；4．试样。制备试样时表面应平整、光滑，不应有氧化皮和污物，并应避免由于冷热加工而影响表面硬度。四、实验方法及步骤1．了解硬度计的构造、原理、使用方法、操作规程和安全注意事项。见图一、二；图一洛氏硬度计图二布氏硬度计2．对各种试样选择合适的实验方法和仪器，确定实验条件。根据实验和实验条件选择压头和载荷（砝码），必要时根据试样形状更换实验台；3．用标准硬度块校验硬度计。校验的硬度值不应超过标准硬度块硬度值的3%（布氏）或1~1.5%（洛氏）；4．试样支撑面、工作台和压头表面应清洁。将试样平稳地放在工作台上，保证在实验加载过程中不发生移动和翘曲。实验力平稳地加在试样上，不得造成冲击和震动，施力方向与试样表面垂直。保证载荷规定的时间，卸载后测量读数（布氏硬度）或直接读数（洛氏硬度），准确记录试验数据。五、实验报告要求1．说明本实验所用硬度计的型号、操作规程和注意事项；2．说明实验方法及选择实验条件的原则；3．列举实验结果，并加以分析；4．说明硬度值的表示方法。六、参考资料及附件1．参考资料：1）GB321-84金属布氏硬度试验方法2）GB230-83金属洛氏硬度试验方法2．附件：压痕直径与布氏硬度值对照表压痕直径与布氏硬度值对照表压痕直径d0/mm在下列载荷P/kgf下的硬度值(HB)压痕直径d0/mm在下列载荷P/kgf下的硬度值(HB)压痕直径d0/mm在下列载荷P/kgf下的硬度值(HB)30D210D22.5D230D210D22.5D230D210D22.5D22.506012003.6527792.323.14.8015651.913.02.555781933.7026989.722.44.8515250.712.72.605551853.7526287.221.84.9014949.612.42.655341783.8025584.921.24.9514648.512.22.705141713.8524882.620.75.0014347.511.92.754951653.9024180.421.15.0514046.511.62.804771593.9523578.319.65.1013745.511.42.854611544.0022976.319.15.1513444.611.22.904441484.0522374.318.65.2013143.710.92.954291434.1021772.418.15.2512842.810.73.0041513834.64.1521270.617.65.3012641.910.53.0541013333.44.2020768.817.25.3512341.010.33.1038812932.34.2520167.116.85.4012140.210.13.1537512531.34.3019765.516.45.4511839.49.863.2036312130.34.3519263.916.05.5011638.69.663.2535211829.34.4018762.415.65.5511437.99.463.3034111428.44.4518360.915.25.6011137.19.273.3533111027.54.5017959.514.95.6510936.49.103.4032110726.74.5517458.114.55.7010735.58.903.4531110425.94.6017056.814.25.7510535.08.763.5030210125.24.6516755.513.95.8010334.38.593.552939824.54.7016354.313.65.8510133.78.343.602859523.74.7515953.013.35.909933.18.26