金屬材料硬試驗

1、實驗一 金屬材料的硬度實驗一、實驗?zāi)康?.了解布氏、洛氏硬度測定的基本原理及應(yīng)用范圍。2.了解布氏、洛氏硬度試驗機(jī)的主要結(jié)構(gòu)及硬度數(shù)據(jù)的測試方法。二、實驗原理金屬的硬度可以認(rèn)為是金屬材料局部表面在接觸壓力的任用下抵抗塑性變形的一種能力。硬度值是材料性能的一個重要指標(biāo)。試驗方法簡單、迅速，不需要專門的試樣，同時保持試樣的完整性，設(shè)備也比較簡單。而且對大多數(shù)金屬材料，可以硬度值估算出它的抗拉強(qiáng)度。因此在設(shè)計圖紙的技術(shù)條件中大多規(guī)定材料的硬度值。檢驗材料或工藝是否合格有時也需用硬度。所以硬度試驗在生產(chǎn)中廣泛使用。硬度測試方法很多，使用最廣泛的是壓入法。壓入法就是一個很硬的壓頭以一定的壓力壓入試樣的表

2、面，使金屬產(chǎn)生壓痕，然后根據(jù)壓痕的大小來確定硬度值。壓痕越大，則材料越軟；反之，則材料越硬。根據(jù)壓頭類型和幾何尺寸等條件的不同，常用的硬度測試方法可分為布氏法、洛氏法和維氏法三種。三、布氏硬度（HB）布氏硬度用符號HB表示。這種試驗方法是把規(guī)定直徑（10mm、5mm、2.5mm）的硬質(zhì)合金球以一定的試驗力壓入所測材料的表面（如圖1-1所示），保持規(guī)定時間后，測量表面壓痕直徑（如圖1-2所示），然后按下式計算硬度：式中HBW-表示用硬質(zhì)合金球測試時的布氏硬度值；P-載荷（kgf）；（1kgf9.8N）D-壓頭鋼球直徑（mm）；d-壓痕平均直徑（mm）；F-壓痕面積（mm2）；式中只有d是變數(shù)，故

3、只需要測出壓痕直徑d，根據(jù)已知D和P值就可以計算出HB值。布氏硬度習(xí)慣上不標(biāo)出單位。生產(chǎn)中已專門制定了平面布氏硬度值計算表見附錄一，用讀數(shù)顯微鏡測出壓痕直徑后，直接查表就可獲得HB硬度值。圖1-1 布氏硬度測量示意圖圖1-2 用讀數(shù)顯微鏡測量壓痕直徑由于金屬材料有軟有硬，工件有厚有薄，有大有小，如果只采用同一種載荷和鋼球直徑時，就會出現(xiàn)對硬的材料合適，而對軟的材料可能發(fā)生鋼球陷入金屬內(nèi)部的現(xiàn)象；若對厚的材料合適，而對薄的材料又可能會出現(xiàn)壓透的現(xiàn)象。因此為了得到統(tǒng)一的，可以相互比較的值，必須使P和D之間維持某一比值關(guān)系。這樣對同一種材料而言，不論采用何種大小的載荷和鋼球直徑，只要能滿足常數(shù)，所得

4、的HB值是同樣的；則對不同的材料來說，所得的HB值也是可以進(jìn)行比較的。按照GB23163規(guī)定，比值有30、10和2.5三種。具體試驗數(shù)據(jù)的選擇和使用范圍可參考表1-1由于硬度和強(qiáng)度都以不同形式反映了材料在外力作用下抵抗塑性變形的能力，因而硬度和強(qiáng)度之間有一定的關(guān)系，其經(jīng)驗換算公式為：低碳鋼 高碳鋼 調(diào)質(zhì)合金鋼 鋁鑄件 退火青銅和黃銅 鋅合金 表1-1 布氏硬度試驗規(guī)范材料HBS范圍試樣厚度（mm）鋼球直徑D（mm）載荷P（kgf）載何保持（S）黑色金屬（如鋼的退火、正火、調(diào)質(zhì)狀態(tài)1404506633301052.53000 750 187.510黑色金屬1406633101052.51000

5、250 62.510有色金屬及合金（如銅、黃銅、青銅、鎂合金）361306633101052.51000 250 62.530鋁合金及軸承合金83566332.51052.51000 650 15.660硬度和強(qiáng)度對照表可查本書附錄一。由于布氏硬度計算出的抗拉強(qiáng)度只是近似值，必然與實際抗拉強(qiáng)度有差別。布氏硬度測試法的優(yōu)點是：壓痕面積較大，因而受試樣中成份偏析和組織偏析的影響較小，能夠較精確地反映試樣的硬度。其缺點是：需要經(jīng)常更換壓頭與載何，測量較麻煩，不適宜測定成品件和較薄的材料。布氏硬度試驗機(jī)的結(jié)構(gòu)和操作：布氏硬度試驗機(jī)的外形結(jié)構(gòu)如圖1-3所示，其操作方法如下：圖1-3 HB-3000布氏硬

6、度試驗機(jī)外形結(jié)構(gòu)圖1. 按表（1-1）選用適當(dāng)?shù)膲侯^，負(fù)荷及保荷時間。擰松壓緊鏍釘，把時間定位器（紅色指示點）轉(zhuǎn)到與持續(xù)時間相符的位置上。2. 將試樣放在工作臺上，順時針轉(zhuǎn)動手輪使壓頭和試樣緩慢接觸，直到手輪與鏍母產(chǎn)生相對打滑為止。3. 打開電源開關(guān)，綠燈亮。4. 按動加載按鈕，啟動電動機(jī)，載荷砝碼經(jīng)一系列的杠桿系統(tǒng)傳遞到壓頭，即開始加載荷。此時因壓緊鏍釘已擰松，園盤并不轉(zhuǎn)動，當(dāng)紅色指示燈亮?xí)r，迅速擰緊壓緊鏍釘。達(dá)到所要求的持續(xù)時間后，即自動卸荷。從啟動按鈕形狀到紅燈亮為加荷階段；紅燈亮到紅燈滅為保荷階段；紅燈滅到電動機(jī)停止轉(zhuǎn)動為卸荷階段。5. 逆時針轉(zhuǎn)動手輪降下工作臺，取下試樣用讀數(shù)顯微鏡測

7、出壓痕直徑d值，以此值查表附錄（一）即得HB值。布氏硬度值測定注意事項： 試樣表面必須光潔平整，以使壓痕邊緣清晰，保證精確測量壓痕d。 操作時動作要穩(wěn)、緩、輕。 壓痕距試樣邊緣應(yīng)大于D，兩壓痕間距也應(yīng)大于D。 當(dāng)選用不同的時，布氏硬度值之間不能進(jìn)行直接對比。 用讀數(shù)顯微鏡測量壓痕直徑d時，應(yīng)從互相垂直的兩個方向上進(jìn)行，取其平均值。四、洛氏硬度（HR）洛氏硬度實驗法是采用金鋼石園錐體或淬火鋼球壓入金屬表面，如圖1-4a所示。對硬材料如淬火后的鋼件，用金鋼石壓頭；對較軟的金屬則用淬火鋼球。通常有60、100和150kgf三種載荷，而且為了減少因零件表面不光滑而造成的誤差，需首先加10kgf的初始載

8、荷。洛氏硬度的測試原理如圖14b.所示。根據(jù)所用壓頭種類和所加載荷的不同，洛氏硬度分為HRA、HRB、HRC等，表1-2所列為洛氏硬度試驗規(guī)范。圖1-4 洛氏硬度測試法原理圖1加初始試驗力10kg2加主試驗力后3卸除主試驗力后如果直接用壓痕深度的大小來作計量硬度值的指標(biāo)，勢必造成越硬的材料洛氏硬度值越小，而越軟的材料的洛氏硬度值越大，不符合人們的習(xí)慣。為了與習(xí)慣上數(shù)值越大硬度越高的概念相一致，將測試結(jié)果作以下處理：式中：HR為洛氏硬度代號；K為常數(shù)，當(dāng)采用金鋼石壓頭時K100，用1.588mm淬火鋼球壓頭時K130；規(guī)定每0.002mm壓痕深度為1洛氏硬度單位。表1-2 常用三種洛氏硬度試驗規(guī)

9、范符號壓頭總載荷kgf(N)硬度值有效范圍使用范圍HRA金鋼石園錐120°60（588.4）2088HRA適用于測量硬質(zhì)合金表面淬火或滲碳層HRB1.588mm（1/16）淬火鋼球100（980.1）20100HRB適用于測量有色金屬、退火、正火鋼等HRC金鋼石園錐120°150（1471.1）2070HRC適用于測量調(diào)質(zhì)鋼淬火鋼等洛氏硬度的數(shù)值可直接從硬度計上讀出，不需換算和查表，非常方便。讀出來的數(shù)值，沒有單位，習(xí)慣上常稱“度”。洛氏硬度的不同硬度標(biāo)尺之間，洛氏硬度與布氏硬度之間，以及與其它硬度之間，沒有理論上的相應(yīng)關(guān)系，不能直接比較。要比較時需查硬度值對照表附錄（二）

10、，即壓痕直徑與布氏硬度值及相應(yīng)洛氏硬度值對照表。洛氏硬度測試方法簡單迅速，可測量最軟至最硬的材料。由于壓痕小，故可測量成品及較薄另件的硬度。但也由于壓痕小，對組織和硬度不均勻的材料，測試結(jié)果不準(zhǔn)確。通常應(yīng)從試件不同的位置測三點，再取其平均值。實驗選用TH30與HR150型洛氏硬度計。1. TH300洛氏硬度計的結(jié)構(gòu)和操作圖1-5 TH300洛氏硬度計其結(jié)構(gòu)示意圖見（圖1-6），操作鍵盤如（圖1-7）所示。1上蓋2壓頭座3壓頭4樣品臺5絲杠護(hù)套6手輪7絲杠8底腳螺釘9側(cè)門10開關(guān)、電源板11顯示屏12鍵盤13試驗力轉(zhuǎn)換手柄圖16 TH300洛氏硬度計結(jié)構(gòu)示意圖LANG 菜單語言選擇+/- 上下限

11、設(shè)置 數(shù)據(jù)統(tǒng)計HR 標(biāo)尺轉(zhuǎn)換 曲面修正MENU 主菜單. 滾動方向ENTER 確認(rèn)圖1-7 TH300洛氏硬度計操作鍵盤圖TH300洛氏硬度計操作方法如下： 加載初試驗力將被測試樣旋轉(zhuǎn)在樣品臺中央，順時針平穩(wěn)轉(zhuǎn)動手輪，使樣品臺上升，試樣與壓頭接觸。此時屏幕上出現(xiàn)壓頭運動過程示意圖，見（圖18），最后一個表示加載初試驗力終止位置。平緩轉(zhuǎn)動手輪，直到圖中所示壓頭到達(dá)終止位置，屏幕上出現(xiàn)“正在測量”，同時伴有蜂鳴報警，此時應(yīng)立即停止轉(zhuǎn)動手輪。如果手輪轉(zhuǎn)動有少量過量，不影響測量結(jié)果及精度；如果轉(zhuǎn)動過量較大，試驗機(jī)自動報警，并提示，見（圖19），此時應(yīng)重新開始。圖1-8 試驗機(jī)自動報警圖1-9 手輪轉(zhuǎn)動

12、過量提示 自動測試初試驗力加載完成后，測試自動進(jìn)行。完成主試驗力加載-保持-卸載-讀數(shù)-數(shù)據(jù)處理-結(jié)果顯示過程，測試結(jié)果見（圖110）。52.6HRC圖1-10 測試結(jié)果顯示 卸載逆時針轉(zhuǎn)動手輪，樣品臺下降，全部試驗力卸除；所有試驗參數(shù)自動記憶，等待下次測試。2. HR150洛氏硬度計的結(jié)構(gòu)和操作洛氏硬度計的結(jié)構(gòu)（如圖111）所示，其操作方法如下： 根據(jù)試樣的硬度值范圍，按表1-2選擇適當(dāng)?shù)膲侯^和載荷。 將符合要求的試樣放置在試樣臺上，順時針轉(zhuǎn)動手輪，使試樣與壓頭緩慢接觸。直至小指針指向小紅點為止。此時即已予加載荷10kg，然后調(diào)整指示器大指針對正零點。 輕輕向前推動手柄，施加主載荷，大指針按逆時針方向轉(zhuǎn)動，待轉(zhuǎn)動停止后，再將手柄板回卸去主載荷，大指針又順時針方向轉(zhuǎn)動，自動停止后，大指針?biāo)副肀P上的數(shù)據(jù)即為該材料的洛氏硬度值。 逆時針轉(zhuǎn)動手輪，降下載物臺，取出試樣。圖111 HR150型洛氏硬度試驗機(jī)結(jié)構(gòu)圖洛氏硬度值測定注意事項： 試件兩端要平行，不得帶有油污，氧化皮和顯著加工痕跡等。 壓痕中心距邊緣或兩壓痕間距為：HRA、HRC測定時不小于2.5mm，HRB測定時不小于4mm。 試樣厚度不應(yīng)小于壓入深度的10倍。金屬材料的硬度