硬度測定實驗

1、硬度測定實驗一、 實驗目的1. 了解布氏、洛氏、維氏、顯微維氏硬度計的構(gòu)造原理。2. 掌握布氏、洛氏、維氏硬度計的試驗原理、測定方法和應用范圍。3. 了解顯微硬度和肖氏硬度計的使用。二、實驗要求1. 嚴格執(zhí)行硬度測試前對試樣表面的要求。2. 熟悉硬度計操作過程，不得碰撞硬度計壓頭。3. 使用砂輪應注意安全。4. 及時記錄數(shù)據(jù)，實驗結(jié)束后應關(guān)閉電源，清理現(xiàn)場。三、 實驗設(shè)備、儀器及材料1. 設(shè)備儀器（1）布、洛氏兩用硬度計（2）維氏硬度計（3）顯微維氏硬度計（4）肖氏硬度計（5）讀數(shù)測量顯微鏡2. 材料（1）鑄鐵 （2）45 鋼（退火）（3）45 鋼（淬火+回火） （4）高速鋼刀具（5）20 滲

2、碳淬火鋼零件 （6）硬質(zhì)合金刀片（7）黃銅（退火）四、實驗原理及適用范圍1. 布氏硬度測試實驗（Brinell Hardness）（1）實驗原理：用一定直徑D（mm）的鋼球或硬質(zhì)合金球為壓頭，施以一定的試驗力F（N），將其壓入試樣表面（圖2.1），經(jīng)規(guī)定保持時間t（s）后卸除試驗力，試樣表面將殘留壓痕。求得單位壓痕球形表面積上的試驗力就是布氏硬度值，用HB 表示，其計算公式為：其中A壓痕球形面積（mm2），d壓痕平均直徑（mm）。（2） 適用范圍：布氏硬度試驗主要用于室溫下黑色、有色金屬原材料檢驗，也可用于退火、正火鋼鐵零件的硬度測試。國家標準GB6270-86金屬布氏硬度試驗法，范圍：<

3、;450HB (650HB)，HBS表示用淬火鋼球，適用于硬度值在450 以下的材料，HBW 表示用鎢合金鋼球，適用于硬度值在450 以上的材料,新標準統(tǒng)一用HBW表達。圖2.1 布氏硬度實驗原理圖2. 洛氏硬度測試實驗（Rockwell Hardness）（1） 洛氏硬度實驗原理：在先后兩次施加負荷（預負荷F0 和主負荷F1）的作用下，將標準型的壓頭（金剛石圓錐壓頭或鋼球壓頭）壓入試樣的表面，即在加完總負荷F（F = F0 + F1）保持一定的時間，并卸除主負荷，保留預負荷的情況下，用計量主負荷作用下所產(chǎn)生的殘余壓入深度e 來表示金屬材料抵抗塑性變形的能力，如圖2.2 示。e 值越大金屬的硬

4、度越低，反之則硬度越高。洛氏硬度值用HR 表示，并在符號后面注以所常用標尺A、B、C 等。洛氏硬度試驗常用標尺所對應的壓頭、負荷硬度計算公式及應用見表2-1 圖2.2 洛氏硬度實驗原理圖表2-1 洛氏硬度常用標尺所對應的壓頭、負荷、計算及應用舉例標尺壓頭初載荷/N總負荷/N硬度值計算公式應用舉例HRA金剛石圓錐角120°頂端球面半徑0.2mm98588HRA=100-h/0.002硬質(zhì)合金、滲碳鋼、淬火工具鋼、淺層表面硬化鋼HRC1471HRC=100-h/0.002淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼、硬鑄鐵、深層表面硬化鋼HRB直徑1.588mm 的鋼球98980HRB=130-h/0.002軟鋼，鋁

5、合金 、銅合金、可鍛鑄鐵備注：h 的單位為mm。（2） 適用范圍：洛氏硬度試驗主要用于室溫下金屬材料熱處理后的產(chǎn)品硬度測試，測量范圍為2067HRC；6085HRA；25100HRB，測試標準為GB/T230-91金屬洛氏硬度試驗方法。為了測定極薄工件及氮化層、氰化層、金屬鍍層等的硬度，可進行表面洛氏硬度試驗見表2-2表面洛氏硬度試驗規(guī)范及應用標尺硬度符號壓頭類型初始負荷F0/N主負荷F1/N總負荷F/N硬度值測量范圍應用舉例15NHR15N金剛石圓錐29.42117.7147.17094滲氮鋼、滲碳鋼、極薄鋼板、刀刃、零件邊緣部分、表面鍍層30NHR30N264.8294.2428645NH

6、R45N411.9441.3207715THR15T1.588mm淬火鋼球29.42117.7147.16793低碳鋼、銅合金、鋁合金等薄板30THR30T264.8294.2298245THR45T411.9441.3172注：初負荷為29.42N 壓痕深度以每0.001為一個硬度單位，常數(shù)K取0.13. 維氏硬度測試實驗（Vickers hardness）（1） 實驗原理：以一相對兩面夾角為136°的金剛石正四棱錐形壓頭，在一定的負荷作用下，壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定的保荷時間卸除負荷后，計量殘留壓痕兩對角線長度（如圖2.3）、并由此求出平均值。由實驗負荷與殘留壓痕表面積之商計算出維氏

7、硬度值。維氏硬度值用HV 表示，其計算公式為： （N/mm2）圖2.3 維氏硬度實驗原理示意圖（2） 適用范圍：維氏硬度試驗主要用于在室溫下薄板材或金屬表層的硬度測定以及較精確的硬度測定。適用測量范圍為81000HV。測量標準有GB4340-84金屬維氏硬度試驗方法和GB5030-85金屬小負荷維氏硬度試驗方法（表面硬度）。4. 顯微維氏硬度測試實驗（1） 實驗原理：以一相對兩面夾角為136°的金剛石正四棱錐形壓頭，在一定的微小負荷作用下，壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定的保荷時間卸除負荷后，計量殘留壓痕兩對角線長度（如圖2.4）、并由此求出平均值。計算出單位殘留壓痕表面積上試驗負荷值即為顯微維

8、氏硬值。顯微維氏硬度值用HV 表示，其計算公式同維氏硬度的計算公式。（2） 適用范圍:顯微維氏硬度試驗主要用于在室溫下測定金屬材料的顯微組織組分或相組分的硬度。適用測量范圍為82000HV，測量標準為GB/T4342-91金屬顯微硬度試驗方法。圖2.4顯微硬度壓頭與壓痕5. 肖氏硬度測試實驗（1） 實驗原理：以一個圓錐形金剛石（或鋼球）標準沖頭從一定高度自由下落到試樣的表面，以沖頭回彈的高度來計算即為肖氏硬度值。肖氏硬度值用HS 表示，并在符號后注以C、D 型號。其計算公式為：式中K系數(shù)，C型硬度K = 104 65；D型硬度K = 140；h1沖頭自由下落的高度，mm；h2沖頭落于試樣表面后

9、的回彈高度，mm。C、D 肖氏硬度的技術(shù)參數(shù)如表2-3 所示：表2-3 C、D 型肖氏硬度技術(shù)參數(shù)項目C型D型沖頭重量（N）0.02310.3550下落高度h125419沖擊速度（m/s）2.230.61回彈高度h2(mm)165.112.35（2） 適用范圍：肖氏硬度試驗主要用于在室溫條件下測定精度要求不高的金屬及合金大型工件的硬度測試。五、實驗方法及結(jié)果處理（一） 布氏硬度測試實驗：1.試驗條件（1）試樣表面應制成光滑的平面，表面粗糙度不大于0.8。試驗面的制備方式應與材料和試驗條件相適應。（2）試樣厚度應不小于壓痕深度的10 倍。如有關(guān)技術(shù)條件另有規(guī)定時，則其厚度可為不小于壓痕深度的8

10、倍。（3）壓頭直徑、負荷大小與保荷時間的確定應根據(jù)試樣預期硬度和厚度按表2-4 選擇。表2-4 壓頭直徑、負荷大小與保荷時間的確定材 料布氏硬度值范圍（HB）試樣厚度/mm負荷F與壓頭直徑D的關(guān)系壓頭直徑/mm負荷F/N黑色金屬140-6506-34-2<20.102F /D2=3010.05.02.52942073551839<140>66-3<30.102F /D2=1010.05.02.598072452613有色金屬>1306-34-2<20.102F /D2=3010.05.02.5294207355183936-1309-36-3<30.1

11、02F /D2=1010.05.02.5980724526138-35>66-3<30.102F /D2=2.510.05.02.524526131532. 試驗方法及數(shù)據(jù)處理（1）試驗時，壓痕中心距試樣邊緣的距離應大于或等于2.5d，試樣兩相鄰壓痕中心的距離應大于或等于4d。實驗硬度小于350HB 的金屬時，上述距離應分別為3d 和6d。（2）試驗后壓痕直徑的大小應在下列范圍內(nèi)：0.2Dd0.6D 。如不符合上述條件時，試驗結(jié)果無效，應選用相應的負荷重新試驗。（3）用直徑為10、5mm 的鋼球進行試驗時，其壓痕直徑的計量應精確到0.02mm，如用直徑2.5mm 的鋼球則為0.01

12、mm。（4）壓痕直徑應從兩相互垂直方向計量，并取其算術(shù)平均值。壓痕兩直徑之差應不超過較小直徑的2。（二） 洛氏硬度測試實驗1. 試驗條件（1）試樣應制成光滑的表面，其表面粗糙度不大于0.8。（2）彎曲表面的試樣，當實驗面的曲率半徑小于20mm 時，硬度值必須給與修正。（3）試樣應具有一定的厚度，必須使壓痕不致在試樣支承面上引起任何可見的變形。其最小厚度應大于卸除主負荷后壓頭壓入深度的10 倍。2. 試驗方法及數(shù)據(jù)處理（1）施加預負荷，試樣應向上移動至預負荷全部加上為止，如指示器超過硬度計說明書規(guī)定的標志時，則應卸除預負荷重新選點試驗。（2）施加主負荷時，加荷壓入時間為48s，總負荷保持時間為2

13、25s；具體由加荷后隨時間變形的程度而定。（3）主負荷應于2s 內(nèi)平穩(wěn)卸除，并立即從刻度盤相應的標尺上讀數(shù)，讀數(shù)精度應為0.2HR。（4）試樣上兩相鄰壓痕中心及壓痕中心至試樣邊緣的距離應不小于壓痕直徑的三倍，通常相鄰壓痕的中心距離不小于3mm。（5）每次更換壓頭、載樣臺或支座后的最初兩次試驗結(jié)果不予采用。（三） 維氏硬度測試實驗1. 試驗條件（1）試樣表面應為光滑平面，其表面粗糙度不大于0.40。（2）試樣測試面應為平面，如果必須在曲面上進行硬度試驗時，測得的硬度值必須給與修正。（3）試樣或表面層的最小厚度應大于壓痕對角線長度的1.5倍。試驗后，試驗背面不應有可見的變形痕跡。2. 試驗方法及數(shù)

14、據(jù)處理（1）負荷保持時間黑色金屬為1015s；有色金屬為30±2s。（2）試樣上兩相鄰壓痕中心及壓痕中心到試樣邊緣的距離不應小于壓痕對角線的2.5 倍。(3)壓痕兩對角線之差與其中較短的對角線之比應不大于2。（4）在更換壓頭、載樣臺的最初兩次試驗結(jié)果不予采用。（四） 顯微維氏硬度測試實驗1. 試驗條件（1）試樣的試驗表面必須光滑，其表面粗糙度不大于0.2。一般將試樣經(jīng)拋光處理。（2）試樣的最小厚度應大于壓痕對角線長度的1.5 倍；對于銅、鋁等軟金屬應為3 倍。2. 試驗方法及數(shù)據(jù)處理（1）試樣應平穩(wěn)地安置在載樣臺上，試驗時不得產(chǎn)生任何位移和振動。（2）加載時應平穩(wěn)而緩慢，加載速度為5

15、060m/s。對于在硬度試驗時塑性行為與時間無關(guān)的式樣（鋼鐵材料、強度較高的有色金屬），保荷時間為1015s；對于試驗時塑性行為與時間有關(guān)的試樣，保荷時間至少為30s。（3）兩相鄰壓痕中心及壓痕中心到試樣邊緣的距離不應小于壓痕對角線的2 倍。（4）壓痕對角線長度計量精度的允許誤差應不大于對角線長度的1。（五） 肖氏硬度測試實驗1. 試驗條件（1）試樣表面應為平面，表面粗糙度不大于1.6。（2）試樣的重量應大于0.1Kg，厚度不應小于2mm。（3）試樣不得有磁性。2. 試驗方法及數(shù)據(jù)處理（1）試樣應穩(wěn)固地放置在載樣臺上，測試大工件時，應將硬度計垂直、穩(wěn)固地放在工件上。（2）試驗時兩相鄰壓痕間距應

16、大于0.5mm，壓痕離試樣邊緣應大于6mm。（3）每一試樣至少應進行五次測試（五次示值中最大最小值之差不超過5 個單位），以其算術(shù)平均值作為試樣的試驗結(jié)果。六、 實驗內(nèi)容及步驟1. 了解各種硬度計的構(gòu)造、作用原理、使用方法、操作規(guī)程和安全注意事項。2. 對各種試樣選擇合適的實驗方法和儀器，確定試驗條件。根據(jù)試驗和試樣條件選擇壓頭和載荷。3. 用標準硬度塊校驗硬度計。校驗的硬度值不應超過標準硬度塊硬度值的允許示值誤差，見表2-4。4. 測定鑄鐵、45 鋼（退火）和黃銅（退火）試樣的布氏硬度。在布洛兩用硬度計上（用布氏硬度）確定測量壓頭、負荷、保荷時間等參數(shù)后，壓出壓痕，然后用讀數(shù)顯微鏡測量壓痕直徑d，通過公式計算或查表得到HB 值。每個試樣至少測試三點，以各點測得結(jié)果的算術(shù)平均值作為該試樣的布氏硬度值。在布洛兩用硬度計上（用洛氏硬度）測量得HRC 值。5. 測定45 鋼（淬火+回火）、高速鋼刀具和20 號滲碳淬火鋼零件的洛氏硬度值。