材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(材料成型及控制工程專業(yè))

1、材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書（材料成型及控制工程專業(yè)）張學(xué)萍 沈 陽 理 工 大 學(xué)二 零 一 二 年 三 月目 錄實(shí)驗(yàn)一 硬度實(shí)驗(yàn). 3 前 言材料力學(xué)性能這門課的實(shí)驗(yàn)是該課的重要組成部分，是該理論課的基礎(chǔ)，正確地掌握實(shí)驗(yàn)的理論和方法，對(duì)提高學(xué)生的動(dòng)手能力、分析問題和解決問題的能力有重要意義。編寫本實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，是根據(jù)材料力學(xué)性能教學(xué)大綱及教材的有關(guān)內(nèi)容、又根據(jù)我院設(shè)備、儀器實(shí)際情況編寫的，這樣，與教材的內(nèi)容相一致，便于安排實(shí)驗(yàn)教學(xué)。本實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書適用于：材料成型及控制工程專業(yè) 編者 2012 年3月實(shí)驗(yàn)一 硬度實(shí)驗(yàn)一. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 掌握洛氏、布氏硬度的基本原理及測(cè)試方法。2. 根據(jù)材料的性質(zhì)正確選

2、擇硬度計(jì)類型及壓入條件。3. 熟悉各種硬度值之間的換算。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容用洛氏硬度計(jì)測(cè)定試樣熱處理前后的硬度；用布氏硬度計(jì)測(cè)定45剛退火后的硬度。三、概述硬度試驗(yàn)操作簡便，對(duì)工件損傷小，可在零件上直接測(cè)試，故在生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用很普遍。硬度所表征的不是一個(gè)確定的物理量，它是衡量材料軟硬程度的一種性能指標(biāo)。硬度值的意義隨試驗(yàn)方法而不同。硬度試驗(yàn)基本上可分為壓入法和刻劃法。對(duì)于以壓入法進(jìn)行的硬度試驗(yàn)，其硬度值是表示材料抵抗另一物體壓入其表面的能力，洛氏、布氏和維氏硬度都屬于壓入法硬度試驗(yàn)。（一） 洛氏硬度試驗(yàn)法。1.洛氏硬度是以壓痕的深度來表示材料的硬度值。圖1-1為洛氏硬度試驗(yàn)原理圖。測(cè)試洛氏硬度時(shí)，用

3、規(guī)定的壓頭，先后施加兩個(gè)負(fù)荷：預(yù)負(fù)荷F0和主負(fù)荷F1。總負(fù)荷F= F0+F1。圖1-1中，0-0位置為未加負(fù)荷時(shí)的壓頭位置；l-l位置為施加10kg預(yù)負(fù)荷后的位置，壓入深度為h1；2-2位置為加上主負(fù)荷后 的位置，此時(shí)壓入深度為h2；3-3位置 圖 1-1 洛氏硬度試驗(yàn)原理為卸除主負(fù)荷后由于彈性變形的恢復(fù)而使壓頭略微提高的位置，此時(shí)壓頭的實(shí)際壓入深度為h3。由主負(fù)荷引起的殘余壓入深度h=h3-h1，用此來衡量金屬硬度值的大小。若直接用h來表示硬度，則會(huì)出現(xiàn)硬的金屬硬度值小，而軟的金屬硬度值反而大的現(xiàn)象。不符常規(guī)。為了適宜人們認(rèn)為數(shù)值愈大硬度值愈高的習(xí)慣概念，人為規(guī)定，用一常數(shù)K減去h來表示硬度

4、的太小，并規(guī)定每0.002mm為一個(gè)洛氏硬度單位。因此，洛氏硬度值的計(jì)算公式可寫成： 式中：h1預(yù)加負(fù)荷壓入試樣的深度(mm)； h3卸除主負(fù)荷后壓人試樣的深度(mm)； K一常數(shù)。A和C標(biāo)尺K=0.2mm，B標(biāo)尺K=0.26mm。因此，洛氏硬度值的計(jì)算公式還可以寫成：試驗(yàn)時(shí)，可選用不同的壓頭和不同的主負(fù)荷，洛氏硬度標(biāo)尺也隨之變化。表1-1為各種洛氏標(biāo)尺及試驗(yàn)條件。 表 1-1 各種洛氏標(biāo)尺及實(shí)驗(yàn)條件壓頭標(biāo)尺符號(hào)總負(fù)荷（公斤力）金剛石120°圓錐鋼球1/16鋼球1/8鋼球1/4鋼球1/2160AFHLR100DBEMS150CGKPV表1-1 中最常用的是HRA 、HRB、HRC等三

5、種。表1-2為這三種洛氏硬度標(biāo)尺的試驗(yàn)條件和應(yīng)用。表 1-2 三種洛氏硬度標(biāo)尺的試驗(yàn)條件和應(yīng)用洛氏硬度值測(cè)量范圍HR標(biāo)尺壓頭形狀預(yù)負(fù)荷（公斤力）主負(fù)荷（公斤力）總負(fù)荷（公斤力）符號(hào)大致相當(dāng)?shù)木S氏硬度值表盤上刻度的顏色應(yīng)用20-67C金剛石120°圓錐10140150HRC240-900黑碳鋼、工具鋼及合金鋼等淬火和回火后的硬度25-100B1/16鋼球1090100HRB60-240紅有色金屬及合金退火鍋等低硬度零件的硬度70-85A金剛石120°圓錐105060HRA390-900黑碳化物、硬質(zhì)合金及表面硬化零件等2. 洛氏硬度計(jì)的操作規(guī)程 洛氏硬度計(jì)由機(jī)體、加荷機(jī)構(gòu)、測(cè)

6、深機(jī)構(gòu)和壓頭等組成。 1）根據(jù)試樣的材質(zhì)、形狀和尺寸選擇壓頭、負(fù)荷，并安裝到位； 2）試樣平放在載物臺(tái)上，將壓頭對(duì)準(zhǔn)試樣表面待測(cè)部位； 3）順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)升降手柄使試樣接觸壓頭，繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)手柄使百分表的小指針指向紅點(diǎn)，這表明預(yù)負(fù)荷已加完，此時(shí)要求大指針不偏離刻度盤零點(diǎn)±5個(gè)刻度； 4）轉(zhuǎn)動(dòng)刻度盤使其零點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)大指針； 5）扳動(dòng)加荷手柄施加主負(fù)荷，施荷時(shí)聞46秒，然后平穩(wěn)地把手柄扳回到卸荷位置； 6）從刻度盤的相應(yīng)標(biāo)尺讀出指針?biāo)傅挠捕戎担?7）逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)手輪，取出試樣，測(cè)試完畢。 測(cè)試洛氏硬度時(shí)應(yīng)注意： 為保證試驗(yàn)結(jié)果的精度，試樣表面應(yīng)平整、無油污、無氧化皮及凹坑等；試樣的厚度不應(yīng)小于

7、壓痕深度的l0倍。 兩相鄰壓痕中心距離及壓痕中心至試樣邊緣距離均不得小于3mm。 洛氏硬度試驗(yàn)如在圓柱或球形表面進(jìn)行時(shí)，應(yīng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果加以校正。校正值可通過下列計(jì)算公式求得：對(duì)圓柱面： 對(duì)球面： 式中：HRC應(yīng)加上的校正值； HRC球面或圓柱面的硬度； D球或圓柱的直徑。 試樣的安裝必須保證壓頭所施加的作用力垂直于待測(cè)面，對(duì)于彎曲及其他不規(guī)則形狀的試樣，必須采用相應(yīng)的專用工作臺(tái)。如對(duì)圓柱式樣須用V形工作臺(tái)； 每個(gè)試樣的試驗(yàn)次數(shù)不應(yīng)少于兩次，取其平均值。 (二)布氏硬度試驗(yàn)法布氏硬度與材料其他的機(jī)械性能關(guān)系密切，尤其是與抗拉強(qiáng)度極限存在近似的換算關(guān)系：b=K·HB（其中K為常數(shù)，不同的材

8、料有不同的K值），這在生產(chǎn)中有很重要的意義。 布氏硬度的測(cè)試原理圖12為布氏硬度測(cè)試原理圖。用一定大小的負(fù)荷P(公斤力)，把直徑力D（mm）的淬火鋼球壓人被測(cè)試樣的表面，保持一定時(shí)間后卸除負(fù)荷。測(cè)量試樣表面壓痕的直徑d，計(jì)算出布氏硬度值，用符號(hào)HB表示。該值的大小就是試樣表面壓痕單位面積上所承受的壓力。 即： 式中：D鋼球直徑(mm)； P試驗(yàn)負(fù)荷(有3000；1000；750；250等)； d壓痕直徑(mm)。 圖1-2 布氏硬度測(cè)試原理圖 圖1-3壓痕相似原理由于金屬材料軟硬不一，薄厚不同，若只采用一種標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷P和鋼球直徑D，就會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象：若對(duì)硬的材料合適，對(duì)軟的材料就可能使鋼球陷入材

9、料內(nèi)；若對(duì)厚的材料適用，對(duì)薄的材料就可能壓透。因此，實(shí)際進(jìn)行布氏硬度試驗(yàn)時(shí)，要求選用不同的負(fù)荷P 和鋼球直徑D。但對(duì)于同一種材料采用不同的P和D 進(jìn)行試驗(yàn)，能否得到相同的布氏硬度值，關(guān)鍵在于壓痕的幾何形狀是否相似。圖13表示兩個(gè)不同直徑的壓頭D1和D 2在不同載荷P1和P2作用下，壓入金屬表面的情況。有圖可得出： d=Dsin 即：由上式可看出，假若壓入角不變時(shí),為使同一材料的HB值相同，還應(yīng)保持P /D2也為常數(shù)。國標(biāo)GB23163中規(guī)定布氏硬度試驗(yàn)時(shí)P/D2的比值為30、10、2.5三種。根據(jù)金屬材料種類，試樣硬度范圍和厚度的不同按表13選擇P、D及加荷時(shí)間。 表 1-3 布氏硬度試驗(yàn)的規(guī)

10、范金屬類型布氏硬度值（HB）試樣厚度（）負(fù)荷P與鋼球直徑D的關(guān)系鋼球直徑（）負(fù)荷P（）負(fù)荷保持時(shí)間（s）黑色金屬140-4506-34-22P=30D21052.53000750187.51014066-33P=10D21052.5100025062.510有色金屬金剛石120°圓錐1306-34-22P=30D21052.53000750187.53036-1309-36-33P=10D21052.5100025062.5308-3566-33P=2.5D21052.525062.515.6302.布氏硬度的表示方法：例如用D=10mm，P=3000kg，負(fù)荷保持時(shí)間為10秒時(shí)所測(cè)

11、得的硬度值為280，則表示為HB280。在其它條件下測(cè)得的HB值應(yīng)注以相應(yīng)的試驗(yàn)條件，例如HB5/250/30100，表示D=5mm，P=250kg，負(fù)荷保持時(shí)間為30秒的條件下測(cè)得的HB值為100。 3.布氏硬度計(jì)的操作規(guī)程(以HB3000B型為例) 布氏硬度計(jì)由機(jī)體、工作臺(tái)、加荷機(jī)構(gòu)、換向開關(guān)系統(tǒng)（電子控制系統(tǒng)）和壓入頭等部分組成。 1)根據(jù)材料選擇負(fù)荷、壓入頭及施荷時(shí)間；2)把載物臺(tái)、負(fù)荷、壓入頭裝好；3）首先打開開關(guān)，接通電源，此時(shí)電源指示燈亮。實(shí)驗(yàn)力選擇好后，按動(dòng)實(shí)驗(yàn)力保持時(shí)間按鈕（12秒、30秒或60秒） 4)將試樣放到載物臺(tái)上，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)手輪使載物臺(tái)緩緩上升，試樣與壓頭接觸直至手

12、輪與螺母產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，按動(dòng)啟動(dòng)按鈕，硬度計(jì)即可自動(dòng)完成一個(gè)工作循環(huán)。；5)試驗(yàn)結(jié)束后，轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，取下試樣，用讀數(shù)顯微鏡測(cè)量試樣表面的壓痕直徑。 6)根據(jù)壓痕直徑、負(fù)荷大小、鋼球直徑查硬度換算表或用公式計(jì)算均可得出布氏硬度值。附表15列出布氏硬度試驗(yàn)中壓痕直徑與硬度值之間的關(guān)系。4.布氏硬度試驗(yàn)中的注意事項(xiàng) 1)試樣表面應(yīng)光滑、無氧化皮和污物； 2)試樣的厚度應(yīng)不小于壓痕深度的l0倍； 3)相鄰壓痕中心距離不小于壓痕直徑的四倍，壓痕中心距試樣邊緣的距離應(yīng)不小于壓痕直徑的2.5倍； 4)壓痕直徑應(yīng)在0.25D<d<0.6D范圍內(nèi)，否則試驗(yàn)結(jié)果無效；5)只可用來測(cè)定硬度小于HB450的金

13、屬材料。 （kg/mm2） 兩次測(cè)量的算術(shù)平均值，即為此壓痕對(duì)角線長度。根據(jù)已得出的壓痕對(duì)角線的長度和所用的試驗(yàn)力，在維氏硬度值換算表中查出硬度值，取下試件，即完成一次試驗(yàn)。(四)各種硬度間的換算附表1-7中列出布氏、洛氏和維氏硬度間的換算。洛氏硬度和布氏硬度之間有一定的換算關(guān)系。對(duì)鋼鐵材料而言，HB»2HRB HB»10HRC（只當(dāng)HRC=4060范圍）四、實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備及材料HRS-150型洛氏硬度計(jì)； HR-150A型洛氏硬度計(jì)； HB-3000B型布氏硬度計(jì) 讀數(shù)顯微鏡。45鋼退火件；45鋼或T10鋼淬火件；紗布等。五、實(shí)驗(yàn)步驟1.分組熟悉各種硬度計(jì)的構(gòu)造及操作方法

14、。2.用砂紙打磨試樣的表面3.進(jìn)行硬度測(cè)定，洛氏硬度（HRB、HRC）每個(gè)試樣測(cè)三點(diǎn)，取平均值并記錄在下表中；，布氏硬度（HB）每個(gè)試樣測(cè)兩點(diǎn)，然后用讀數(shù)顯微鏡測(cè)試樣表面的壓痕直徑，測(cè)得結(jié)果查表1-5確定試樣的硬度值，取兩點(diǎn)的平均值并記錄在下表中。洛氏硬度項(xiàng)目試樣實(shí)驗(yàn)規(guī)范實(shí)驗(yàn)結(jié)果換算成布氏硬度HB壓頭主載荷kg硬度 標(biāo)尺第一次第二次第三次平均值45鋼 淬火45鋼 退火布氏硬度項(xiàng)目試樣實(shí)驗(yàn)規(guī)范實(shí)驗(yàn)結(jié)果換算洛氏值鋼球直徑D(mm)主載荷(kg)P/D2施荷停留時(shí)間（S）第一次第二次平均值HBHRC壓痕直徑 d(mm)HB壓痕直徑 d(mm)HB30鋼退火六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1.認(rèn)真填寫實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備及材料、布氏、洛氏硬度計(jì)的測(cè)定原理、實(shí)驗(yàn)步驟；2.填好上述二表；3.選擇下列三種材料所用的硬度計(jì)類型（要全面）及壓入條件：（1）60鋼淬火件；（2）20鋼淬火后高溫回火（調(diào)質(zhì)處理）；（3）20鋼退火件；（4）鋁合金； 4.認(rèn)真回答思考題。七、實(shí)驗(yàn)成績?cè)u(píng)定按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的具體要求，根據(jù)每個(gè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)前的預(yù)習(xí)情況、實(shí)驗(yàn)過程中操作情況及實(shí)驗(yàn)報(bào)告的質(zhì)量，綜合給出實(shí)驗(yàn)成績。附表 1-5 壓痕直徑與布氏硬度對(duì)照表注：1.本表摘自國家標(biāo)準(zhǔn)金屬布氏