实验1金属材料硬度测定

金属材料及热处理实验指导书

〔2022-2022 秋季学期〕

指导教师：***

实验1 金属材料硬度测定

一、实验目的

1.理解不同种类硬度测定的根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外表在接触应力作用下抵抗塑性变形的一种才能。硬度测量可以给出金属材料软硬程度的数量概念。由于在金属外表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，因此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、塑性变形强化才能以及大量变形抗力。硬度值越高，说明金属抵抗塑性变形的才能越大，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络，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

被测金属外表〔如图1-1所示〕保持一定时间，然后卸除载荷，根据钢球在金属外表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，可知压痕局部的球面面积为：

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，假设只采用同一种载荷和一个钢球直径时，那么对有些试样适宜，而对另一些试样可能不适宜，对同一种材料而言，不管采用何种大小的载荷和钢球直径，当F/D 2=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。

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F 0,在金属外表得一压痕深度为h 0，以此作为测量压痕深度的基线。随后再加上主试验力F 1后，此时压痕深度的增量为

凹A F

）

π22d (2--D D D F 凹A F

102.0）

π22d (204.0--D D D F

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，使压头上升一段间隔。于是得到金属在F0作用下的剩余压痕深度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，那么表示硬度越高。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。洛氏硬度试验标准和适用范围见表1-2。

3.维氏硬度

维氏硬度的实验原理与布氏硬度一样，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，将试样外表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,用以计算压痕的外表积.所以维氏硬度值〔HV 〕就是试验力F 除以压痕外表积A 所得的商。当试验力F 为1kgf 〔9.8N 〕时计算公式为

2

d 2

1d

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一样。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一样。

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.理解各种硬度计的构造、原理、使用方法、操作规程和平安本卷须知。

2.对各种试样选择适宜的试验方法和仪器，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、工作台和压头外表应清洁。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。

A F

2

d F A F 102.02d F