金屬材料硬度測(cè)試實(shí)驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱：材料性能研究技術(shù)成績(jī)：實(shí)驗(yàn)名稱：金屬材料硬度測(cè)試實(shí)驗(yàn)批閱人：實(shí)驗(yàn)時(shí)間：實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：X5406報(bào)告完成時(shí)間：2姓名：學(xué)號(hào)：班級(jí)：同組實(shí)驗(yàn)者:指導(dǎo)教師：一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 了解不同類型硬度測(cè)試的基本原理。2. 了解不同類型硬度測(cè)試設(shè)備的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍3. 掌握各類硬度計(jì)的操作方法。二、實(shí)驗(yàn)原理金屬的硬度可以認(rèn)為是金屬材料表面在壓應(yīng)力作用下抵抗塑性變形的一種 能力。硬度測(cè)試能夠給出金屬材料軟硬度的定量概念，即：硬度示值是表示材料軟硬程度的數(shù)量指標(biāo)。由于在金屬表面以下不同深度處材料所承受的應(yīng)力和所發(fā) 生的變形程度不同，因而硬度值可以綜合地反映壓痕附近局部體積內(nèi)金屬的彈 性、微量應(yīng)變抗力、

2、應(yīng)變強(qiáng)化能力以及大量形變抗力。硬度值越高，表明金屬抵 抗塑性變形的能力越大，材料產(chǎn)生塑性變形就越困難。硬度的大小對(duì)于機(jī)械零件 或工具的使用壽命具有重要的影響。硬度測(cè)試方法有很多，大體可以分為彈性回跳法（如肖氏硬度）、壓入法（如 布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度）和劃痕法（如莫氏硬度）等三類。硬度是表征金屬材料軟硬程度的一種性能，其物理意義隨著試驗(yàn)方法的不同 而表示不同的意義。其中彈性回跳法主要表征金屬?gòu)椥宰冃喂Φ哪芰?；壓入法主要表征金屬塑性變形抗力及?yīng)變硬化能力；而劃痕法主要表征金屬切斷能力。 下面介紹三種最常用的硬度測(cè)試方法：1、布氏硬度（1）布氏硬度試驗(yàn)原理用一定直徑D（ mm的硬質(zhì)合金球作為

3、壓頭，用一定的試驗(yàn)力 F （N）,將其 壓入試樣表面，經(jīng)過(guò)規(guī)定的保持時(shí)間 t（s）之后卸載試驗(yàn)力，觀察試樣表面， 會(huì)發(fā)現(xiàn)有殘留壓痕（如圖1）。測(cè)殘留壓痕的平均直徑d （mr）然后求出壓痕球 形面積A（ mm）。布氏硬度值（HBW就是試驗(yàn)力F除以壓痕表面積A所得的商， F以N作為單位時(shí)，其計(jì)算公式為HBW0.102FA0.204F“：D(D - D2 -d2)注：布氏硬度值不標(biāo)出單位布氏硬度試驗(yàn)用的壓頭球直徑有 10mm 5mm 2.5mm和1mm四種，主要根據(jù) 試驗(yàn)厚度選擇，選擇要求是使壓痕深度 h 小于試樣厚度的 1/8 。當(dāng)試樣厚度足 夠時(shí)，應(yīng)盡量選用10mm的壓頭球。（2）布氏硬度的特點(diǎn)

4、布氏硬度試驗(yàn)時(shí)一般采用直徑較大的壓頭球， 所以它所得的壓痕面積會(huì)比較 大。壓痕面積大的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是它的硬度值能反映金屬在較大范圍內(nèi)各組成相 的平均性能， 而不會(huì)受到個(gè)別的組成相和微小相的影響， 所以說(shuō)， 布氏硬度試驗(yàn) 主要用于測(cè)定灰口鑄鐵，軸承合金等具有粗大晶?；蚪M成相的金屬材料的硬度； 壓痕較大的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性強(qiáng)。但是壓痕面積較大的缺點(diǎn)就是不能再成品上進(jìn)行試驗(yàn)， 布氏硬度的另外一個(gè) 缺點(diǎn)就是對(duì)于不同的材料需要更換不同直徑的壓頭球并且需要改變?cè)囼?yàn)力， 壓痕 直徑的測(cè)量也會(huì)比較麻煩，所以一般不用于自動(dòng)檢測(cè)。（3）布氏硬度的表示方法布氏硬度值與試驗(yàn)規(guī)范有關(guān)， 所以它的表示方

5、法能反映規(guī)范的內(nèi)容， 布氏硬 度的表示方法有：硬度值；符號(hào) HBW球直徑；試驗(yàn)力；試驗(yàn)力保持 時(shí)間（10s-15s不標(biāo)注）。后3項(xiàng)之間各用斜線隔開(kāi)。女口 600HBW1/30/20表示用直 徑1mr1的硬質(zhì)合金球在294.2N試驗(yàn)力下保持20s測(cè)得的不是硬度值為600。需要注意的是：在布氏硬度表示方法中，試驗(yàn)力的單位是千克力（ kgf）， 2 者的換算關(guān)系是 1kgf=9.80665N。2、洛氏硬度（ 1）洛氏硬度試驗(yàn)原理洛氏硬度是通過(guò)測(cè)量壓痕深度來(lái)表示材料的硬度值。 洛氏硬度試驗(yàn)所用到的 壓頭有兩種： 一種是一定直徑的小淬火鋼球或硬質(zhì)合金球； 另外一種就是圓錐角 a =120°的金

6、剛石圓錐體。試驗(yàn)時(shí)，先加初試驗(yàn)力 F0 ，在試樣表面得到一壓痕，深度為 h0 。此時(shí)，此 時(shí)，測(cè)量壓痕深度的指針在表盤上指零。然后加上住試驗(yàn)力F1，壓頭壓入深度為 h1。表盤上指針以逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)到相應(yīng)的刻度位置。試樣在已作用下產(chǎn)生的總變形m中包括彈性變形與塑性變形。當(dāng)F1卸除后，總變形中的彈性變形恢復(fù)，壓 頭回升一段距離（m-h）。這時(shí)試樣表面殘留的塑性變形深度 h即為壓痕深度， 而指針順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)停止時(shí)所指的數(shù)值就是洛氏硬度值。規(guī)定每0.002mm的壓痕深度為一個(gè)硬度單位。于是洛氏硬度值（HR的計(jì)算 公式：錯(cuò)誤！未找到引用源。式中，當(dāng)使用金剛石圓錐壓頭時(shí)，k=0. 2mm當(dāng)使用淬火鋼球或

7、硬質(zhì)合金壓頭時(shí)， k=0.26 mm。(2) 洛氏硬度的特點(diǎn)洛氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是：壓痕較小，可在工件上進(jìn)行試驗(yàn)；操作簡(jiǎn)便，迅速, 硬度值可以直接讀出；采用不同的標(biāo)尺可以測(cè)定各種軟硬不同的金屬盒厚薄不一 的試樣的硬度，所以廣泛用于熱處理的質(zhì)量檢測(cè)。它的缺點(diǎn)是：壓痕較小，代表性差；若材料中有偏析和組織不均勻等缺陷， 則其測(cè)得的硬度重復(fù)性差，分散度大；由于用不同的標(biāo)尺所測(cè)得的硬度值彼此沒(méi) 有聯(lián)系，所以不能夠直接比較。(3) 洛氏硬度的表示方法。不同的壓頭和試驗(yàn)力對(duì)應(yīng)不同的洛氏硬度標(biāo)尺。一般經(jīng)淬火處理的鋼或工具 都米用HR(測(cè)量。洛氏硬度的表示方法是：硬度值，符號(hào)HR標(biāo)尺字母。如70HR表示用C標(biāo)尺

8、所測(cè)得的洛氏硬度值為70。3、維氏硬度(1) 維氏硬度試驗(yàn)原理維氏硬度是根據(jù)壓痕單位面積所承受的試驗(yàn)力來(lái)計(jì)算硬度值的，其壓頭是兩相對(duì)面間夾角a為136°的金剛石四棱椎體。壓頭在試驗(yàn)力 F ( N)作用下將試樣 的表面壓出一個(gè)四方錐形的壓痕， 經(jīng)過(guò)一定的保持時(shí)間后卸載試驗(yàn)力， 測(cè)出壓痕 對(duì)角線的平均長(zhǎng)度dd= (d1+d2) /2,用來(lái)計(jì)算壓痕表面積A (mm)。維氏硬度值 (HV為試驗(yàn)力F除以壓痕表面積A所得的商，即HV0.102F0.204Fsin(136 /2)= 0.1891注：維氏硬度值不標(biāo)注單位。維氏硬度采用正四棱錐體做壓頭的原因，是當(dāng)改變?cè)囼?yàn)力時(shí)壓痕的幾何形狀 總保持相似

9、，而不致影響硬度值。維氏硬度常用的試驗(yàn)力范圍為49.03-980.7N，使用時(shí)應(yīng)視材料的厚度及預(yù)期的硬度，盡可能的采用較大的試驗(yàn)力，以減小壓痕 尺寸的測(cè)量誤差。如果維氏硬度試驗(yàn)時(shí)所選用的試驗(yàn)力較小， 在0.098N-0.9807N之間，則課測(cè) 定金屬箔、極箔的表面層的硬度以及合金中各種組成相的硬度。 由于壓痕的尺寸 較小，所以為了提高精度，需要配用顯微放大裝置，這就是顯微維氏硬度試驗(yàn)。(2) 維氏硬度的特點(diǎn)維氏硬度的優(yōu)點(diǎn)是：不存在洛氏硬度試驗(yàn)時(shí)不同標(biāo)尺無(wú)法統(tǒng)一的弊端； 不存 在布氏硬度試驗(yàn)時(shí)要求試驗(yàn)力F與壓頭直徑D之間所規(guī)定的條件的約束；試驗(yàn)時(shí)試 驗(yàn)力可以任意選取，而且壓痕測(cè)量的精度較高，測(cè)得

10、的硬度較為準(zhǔn)確。缺點(diǎn)是由于硬度值需要通過(guò)測(cè)量壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度后才能進(jìn)行計(jì)算或查表，所以工作效率低。(3) 維氏硬度的表示方法是：硬度值，符號(hào)HV試驗(yàn)力，試驗(yàn)力保持時(shí)間(10-15s 不標(biāo)注)。如600HV3表示試驗(yàn)力為294.2N下保持10-15s測(cè)得的維氏硬度為640。對(duì)比三種硬度測(cè)試方法，布氏硬度適用于硬度較低的材料，一般小于HRC15 如有色金屬、低碳鋼等；洛氏硬度則可以測(cè)高硬度的材料，硬度值在HRC267 之間；維氏硬度的應(yīng)用非常廣泛，特別適用于測(cè)試表面處理層等小范圍的硬度, 但是測(cè)試前試樣必須拋光處理。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料1、實(shí)驗(yàn)設(shè)備：布氏硬度計(jì)，洛氏硬度計(jì)，數(shù)字式顯微硬度計(jì)，測(cè)量顯微鏡

11、。2、實(shí)驗(yàn)材料：A3鋼正火，45#鋼淬火+回火，A3鋼退火。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、制備樣品首先，取A3鋼和45#鋼進(jìn)行如下表所示的熱處理：表1熱處理方案試樣編號(hào)1#2#3#材料A3鋼45#鋼A3鋼處理工藝正火淬火+回火退火然后，對(duì)熱處理后的3個(gè)試樣分別進(jìn)行磨制、拋光等處理，其中 3#試樣還 要用硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕處理。2、硬度測(cè)試對(duì)3個(gè)試樣，分別利用與其對(duì)應(yīng)的硬度測(cè)試方法測(cè)出其硬度值， 并記錄于表 2中：表2硬度測(cè)試結(jié)果試樣編號(hào)1#2#3#測(cè)試方法布氏硬度(HB(1875N;10mm)洛氏硬度(HRC維氏硬度(HV珠光體鐵素體硬度值124.7059.5105.8134.1127.0758.5146.0214.3125.6060.0平均值59.3四、結(jié)果分析從表1中擬定的不同材料的硬度測(cè)試方法和表 2中硬度測(cè)試的結(jié)果分析可 知：A3鋼正火試樣的硬度值較低，用布氏硬度測(cè)得，這是因?yàn)?A3鋼正火組織為 P+F,其硬度較低，而布氏硬度適合于測(cè)試較軟的材料， 如有色金屬和低碳鋼等， 其可測(cè)試的硬度值一般小于 HRC1545#鋼淬火+回火試樣的硬度值較高，測(cè)試的是其洛氏硬度，這是因?yàn)?45#鋼 淬火+回火組織是回火馬氏體，為較硬的組織，洛氏硬度可以測(cè)試較硬的材料， 其可測(cè)硬度值在 HRC2HRC67之間。對(duì)于 3#試樣 A3 鋼退火材料，其組織為珠光體 +鐵