西安交通大学材料力学性能实验报告四

对以下各种材料，各宜采用什么硬度试验方法？
答：
退火低碳钢棒——布氏硬度/洛氏硬度；
高速钢刀具——洛氏硬度；
灰铸铁——布氏硬度/洛氏硬度；
渗碳齿轮——小负荷维氏硬度；
氮化层——小负荷维氏硬度；
硬质合金刀头——洛氏硬度；
双相钢中铁素体和马氏体——显微硬度；
轴承合金——洛氏硬度。
实验小结：
通过硬度实验，对四种硬度计的工作原理、使用方法及适用范围有了充分的了解，也知道了硬度计在实际工程应用上的生产意义。本次实验为以后的实验打好了基础。
实验报告四
姓名
班级
学号
成绩
实验名称
硬度实验
实验目的
1.掌握金属布氏﹑洛氏、维氏（小负荷）及显微维氏硬度的试验原理和测试方法；
2.了解硬度实验根据应力状态所划分的二种试验方法及其共同特点；
3.学会正确使用硬度计。
实验设备
布氏硬度计HB-300B
洛氏硬度计HRD-150
显微维氏硬度计MH-5
维氏硬度计HVS-50Z以及被测量样
三．布氏硬度的正确书写格式为650HBW10/750/15，650为布氏硬度值，其余分别为压头直径、载荷大小、保持时间。在硬度计上确定上述参数，然后测量三点。在工具显微镜上分别测量三点的d1,d2值，然后查附表得到各点的布氏值，取其平均值为该试样的最终硬度值。三点的平均值等于100或大于100时修约至整数，等于或大于10而小于100时，修约至一位小数。
图一压痕深度t和压痕直径d的关系
维氏硬度实验
试样的选择原则：测量硬度范围涉及到目前所知的绝大部分金属材料的硬度，主要用于测量面积小、硬度值较高的试样和工件硬度，各种标处理后的渗层或镀层以及薄材的硬度。
洛氏硬度实验
试样的选择原则：由于使用的试验力较小，因此压痕较浅，对工作表面损伤很小，可以用于测定半成品或成品工作的硬度。根据不同硬度的压头可以测量较硬或较软材料的硬度，适用范围广。
5.试验前根据选定的标尺确定所需的载荷，由试样的材质确定硬度计的保载时间；试样应平整、稳固地放在载物面上，使加力方向垂直于试验面，如果试样是曲面应确保压头作用力方向与实验部位最高点作的水平线垂直，并正确队中。
6.初载时将长针对BC线上，短针对至红点，或有的硬度计长、短针均重合对准B-O线上。
7.加主载，待保载时间结束后，读取C标尺所规定的读书，小数点留一位为估值；
8.逆时针方向旋转使载物台下降，方可取走式样，每次至少打三点读取平均值，若三点值在5°以内有效，若偏差超范围，需继续打硬度，直至数据稳定。
分析各种试样的硬度试验方法与试验条件的选择原则。
答：
布氏硬度实验
试样的选择原则：用较大直径的球体压头压出面积较大的压痕，适合强度级别较低的金属材料硬度的测定，由于压痕较大，测试面积也较大，所以可以测得金属各组成部分的平均硬度值，硬度值比较稳定，精度高，但是效率差且测试的范围有限。
3.由于压痕间距过近，压痕周围硬化区对硬度值会产生影响，因此，国标规定任一压痕中心距试样边缘的距离至少为压痕平均直径的2.5倍，两相邻压痕中心间距离至少为压痕平均直径的3倍。
二．按照国标选择合适的压头，满足d/D≈0.24—0.6之间；保持时间由国标而定，一般黑色金属10s-15s，有色金属30s±2s，保持时间过短会使试样来不及充分变形，此时硬度偏高，试验力保持时间过长，不但降低试验效率，外来因素也会对硬度值产生影响。
说明本实验使用的各种硬度计的型号及操作程序。
答：
布氏硬度计型号---HB-330B
一．准备试样一块
1.试样表面应光滑平坦，且粗糙度小于1.6μm，过于粗糙的试样表面会使布氏硬度值偏低，另外也给压痕直径的测量带来较大误差；
2.国标对试样的厚度作了明确规定：试样厚度至少应为压痕深度的8倍，且试验后背面不允许出现变形痕迹；
三．测量时要调节计算机系统中的参数使之与上述量程相对应，方可进行。放大倍数分100倍、400倍两种，100倍由于倍数小，视觉开阔便于选定所要打的硬度区域，而常用400倍进行测量，测量准确。
洛氏硬度计型号---HRD-150
一．准备热处理淬火件试样一块。
1.保证加工试样是平面，这是由于洛氏硬度测量原理是通过深度来计算硬度值的，如果工件成品是曲面需要通过修正来补偿。
试验条件的选择原则：生产效率高，用于成批生产中的硬度检验。
说明各种硬度表示方法的意义？
答：
1.布氏硬度的正确书写格式为650HBW10/750/15，650为布氏硬度值，其余分别为压头直径、载荷大小、保持时间。
HB=F/S=2F/πd(D-√D2-d2)
上式意为将一定直径球体加一定负荷压入试样表面保持一定时间后卸载试验力，测量硬度值。布氏硬度压头材质分为HBS（钢球），HBW（硬质合金），硬度较高，一般在350HB以上的话选用HBW；而像铝合金之类的硬度较软的材料选用HBS。
显微维氏硬度计型号---MH-5
一．准备镀层试样一块，要求硬度R＜0.1μm且表面应平坦光滑、无氧化皮及外来污物、油脂。
二．在计算机系统中调节好参数，载荷及保载时间，点击测量键，计算机自动加载保持得到一个标准压痕图形。采用四点法测量，即用鼠标点击四边形压痕的两个对角，分别得两个对角线的长度d1,d2，在计算机由可直接读出该值维氏值，由人为的点击会造成误差，通常点击两次，取平均值。
3.在维氏硬度试验中，为了得到准确的试验数据，试样的试验面应与试验力作用方向垂直，以保证实验的准确性。
4.将试样在目镜下调节清楚，然后旋转镜头将压头对准试样加载，加载完毕后将镜头重新调至试样下，对焦后测量对角线的距离，垂直方向各测量一次，用所得的d1,d2取平均值除以10代入公式求解。
5.H≈1.8544F/d2计算，测三点取平均值，测量时要注意压痕的清晰度，将目镜内的固定标尺刻度线与压痕左边的角尖相切，转动微分筒使移动标尺的长刻线与压痕的右边的角尖相切，即可读出压痕对角线长度，此时值为d1。将目镜旋转90°按上述步骤测量相互垂直的另一条压痕对角线长度d2，取算数平均值。
2.维氏硬度是也是压入法硬度试验之一，采用锥面夹角136°的四方角锥体，由金刚石制成，根据金属表面压痕的凹陷面积计算出应力，以此值作为硬度值的计量指标。
3.洛氏硬度以压痕深度作为计量硬度的指标，在同一硬度级下，金属愈硬，则压痕深度愈小，愈软则深度愈大。.洛氏硬度的标尺范围共有11个，即HR（A、B、C、D、E、F、G、）HRC、HRA采用的是金刚石压头，HRB采用的是1.587㎜直径的钢球压头。HR=100-e=100-残余压痕深度（㎜）/洛氏硬度单位（0.002㎜）。当球压头进行洛氏硬度试验时，HR=130-e。
小负荷显微硬度计型号---HVS-50Z
一．准备薄铜块一件
1.由于维氏硬度压痕尺寸很小，粗糙的表面会影响对角线的测量精度，因此对维氏硬度的试样规定：Ra＜0.2μm且表面应光滑平坦、无氧化皮及外来污物、油脂。
2.所有维氏硬度的压头均为136°正四棱锥体，试验力的选择为在试验材料硬度均匀的条件下，不同试验力的试验结果十分接近，一般而言，材料强度较高者可以选择力较大，材料镀层较薄者在保证不打穿镀层的前提下仍可尽量选择大的力，这是因为维氏硬度当选择小载荷试验力时其硬度值的分散性较大、偏差也较大。但试验力的大小应保持压痕深度小于试样或试验层厚度的1/10，也就是说压痕对角线长度应小于试样或试验层厚度1/1.5。
2.表面粗糙度Ra=0.8μm（Δ7）应平坦光滑、无氧化皮及外来污物、油脂。
3.对于用金刚石压头的试验，试样或试层最小厚度应为压痕残余深度15倍以上。
4.由于试样两相邻压痕中心距离太近时，压痕周围的应变硬化使相邻压痕硬度值高。国标规定两相邻压痕中心间距至少应为压痕直径的4倍，但不得小于2mm，任一压痕中心距试样边缘距离至少应为压痕直径的2.5倍，但不得小于1mm。
试验条件的选择原则：要求d/D=0.24~0.60之间，通过大量实验可以得图一所示试验结果当试验开始加力后在试验力很小时，硬度值随着试验力的增加成比例上升。当试验力达到一定值时，硬度值达到一个稳定值，超过某一试验力后，硬度开始降低，也就是说在一定范围内的试验力内硬度值稳定后则与试验力大小无关，即符合HB=F/S关系，因此在布氏硬度实验中应选择与试验力变化无关的试验力，D=0.325D是其理想条件，而此时钢球压痕的外切交角为136°。