实验一---材料的硬度测试

实验一---材料的硬度测试

实验一材料的硬度测试

一、实验目的

掌握布、洛、维三种硬度的原理和测试方法。

掌握显微镜硬度的测试方法及原理。

给定各种状态的材料选择适用的硬度测试方

法。

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：б

=K*HB

b

—材料的抗拉强度；K—系数，取式中：б

b

值见表一；HB—布氏硬度。

4、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保持一定

时间，然后卸除载荷，根据钢球在试样表面上所

求出平均应力值，以此作为压出的凹痕面积F

∞

硬度值的计量指标，用符号HB表示。

计算公式如下：HB=P/F

∞

式中：HB—布氏硬度；P—施加外力，N；F

—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

=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。

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F

0，在金属表面得一压痕深度h

，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h

1。金属在F

1

作用下

产生的总变形h

1

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。

（三）维氏硬度：