金屬材料的硬度實驗

PAGEPAGE6金屬材料的硬度實驗一、實驗目的1.了解布氏、洛氏、里氏及顯微維氏硬度測定的基本原理及應用范圍。2.了解布氏、洛氏、里氏及顯微維氏硬度試驗機及硬度數(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。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，設備也比較簡單。而且對大多數(shù)金屬材料，硬度值估算出它的抗拉強度。因此在設計圖紙的技術條件中大多規(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中廣泛使用。硬度測試方法很多，有壓入法、彈性回跳法、劃痕法。壓入法就是一個很硬的壓頭以一定的壓力壓入試樣的表面，使金屬產生壓痕，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，常用的壓入法用于測量布氏、洛氏和維氏硬度三種。彈性回跳法就是將撞銷從一定高度落到所試材料的表面上而發(fā)生回跳，用測得的撞銷回跳的高度來表示硬度。所測的硬度稱為肖氏硬度。撞銷是一只具有尖端的小錐，尖端上常鑲有金剛鉆。應用劃痕法將棱錐形金剛鉆針刻劃所試物體的表面而發(fā)生劃痕,用測得的劃痕的深度分十級來表示硬度：滑石(talc)1（硬度最?。?gypsum)2，方解石(calcite)3，螢石(fluorite)4，磷灰石(apatite)5，正長石(feldspar;orthoclase;periclase)6，石英(quartz)7，黃玉(topaz)8，剛玉(corundum)9，金剛石(diamond)10。用劃痕法測得的硬度稱為莫氏硬度。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-表示用硬質合金球測試時的布氏硬度值；P-載荷（kg）；（1kg＝9.8N）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。布氏硬度習慣上不標出單位。生產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。布氏硬度試驗機的外形結構如圖1-3所示，其操作方法如下：圖1-3電子布氏硬度試驗機外形結構圖1.選用適當?shù)膲侯^，負荷及保荷時間。擰松壓緊鏍釘，把時間定位器（紅色指示點）轉到與持續(xù)時間相符的位置上。2.將試樣放在工作臺上，順時針轉動手輪使壓頭和試樣緩慢接觸，直到手輪與鏍母產生相對打滑為止。3.打開電源開關，綠燈亮。4.按動加載按鈕，啟動電動機，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，園盤并不轉動，當紅色指示燈亮時，迅速擰緊壓緊鏍釘。達到所要求的持續(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；紅燈滅到電動機停止轉動為卸荷階段。5.逆時針轉動手輪降下工作臺，取下試樣用讀數(shù)顯微鏡測出壓痕直徑d值，以此值查表即得HB值。四、洛氏硬度（HR）洛氏硬度實驗法是采用金鋼石圓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的初始載荷。洛氏硬度的測試原理如圖1－4b.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。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，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，不符合人們的習慣。為了與習慣上數(shù)值越大硬度越高的概念相一致，將測試結果作以下處理：式中：HR為洛氏硬度代號；K為常數(shù)，當采用金鋼石壓頭時K＝100，用1.588mm淬火鋼球壓頭時K＝130；規(guī)定每0.002mm壓痕深度為1洛氏硬度單位。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，習慣上常稱“度”。洛氏硬度的不同硬度標尺之間，洛氏硬度與布氏硬度之間，以及與其它硬度之間，沒有理論上的相應關系，不能直接比較。要比較時需查硬度值對照表，即壓痕直徑與布氏硬度值及相應洛氏硬度值對照表。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，測試結果不準確。通常應從試件不同的位置測三點，再取其平均值。洛氏硬度試驗機操作方法如下：（1）根據(jù)試樣的硬度值范圍，選擇適當?shù)膲侯^和載荷。（2）將符合要求的試樣放置在試樣臺上，順時針轉動手輪，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，然后調整指示器大指針對正零點。（3）輕輕向前推動手柄，施加主載荷，大指針按逆時針方向轉動，待轉動停止后，再將手柄板回卸去主載荷，大指針又順時針方向轉動，自動停止后，大指針所指表盤上的數(shù)據(jù)即為該材料的洛氏硬度值。（4）逆時針轉動手輪，降下載物臺，取出試樣。圖1-5TH500洛氏硬度試驗機外形結構圖五、里氏硬度（HL）里氏硬度測試方法是于1978年引入硬度測量技術的，他定義為用規(guī)定質量的沖擊體在彈力作用下以一定速度沖擊被測材料或零件表面，用沖頭在被測材料或零件表面1mm處的回彈速度與沖擊速度的比值計算硬度值。其表示符號為HL。當使用不同沖擊裝置時，應在HL之后附以相應型號，如HLD表示用D型裝置測定的里氏硬度。里氏硬度的表示方法為符號前示出硬度數(shù)值，符號后示出沖擊裝置類型，例如700HLD表示用D型沖擊裝置測定的里氏硬度值為700。適用于大型金屬零件及部件的硬度測定。VB—沖擊體回跳速度VA—沖擊體沖擊速度圖1-6MH180里氏硬度計外形結構圖MH180里氏硬度計是一種手持式硬度測試儀器。具有易攜帶，測量范圍寬（可實現(xiàn)六種硬度(170-960)HLD,(17-68.5)HRC,(19-651)HB,(80-976)HV,(30-100)HS,(59-85)HRA,(13-100)HRB之間的相互轉換及硬度與強度間的相互轉換，操作方便（可反復顯示各測試結果），并適用于所有常用金屬等特點?？蓮V泛用于石油、化工、機械、電子等各種行業(yè)。六、顯微維氏硬度(HV)維氏硬度試驗的優(yōu)點維氏硬度試驗的壓痕是正方形，輕廓清晰，對角線測量準確，因此，維氏硬度試驗是常用硬度試驗方法中精度最高的，同時它的重復性也很好，這一點比布氏硬度計優(yōu)越。維氏硬度試驗測量范圍寬廣，可以測量目前工業(yè)上所用到的幾乎全部金屬材料，從很軟的材料（幾個維氏硬度單位）到很硬的材料（3000個維氏硬度單位）都可測量。維氏硬度試驗最大的優(yōu)點在于其硬度值與試驗力的大小無關，只要是硬度均勻的材料，可以任意選擇試驗力，其硬度值不變。這就相當于在一個很寬廣的硬度范圍內具有一個統(tǒng)一的標尺。這一點又比洛氏硬度試驗來得優(yōu)越。在中、低硬度值范圍內，在同一均勻材料上，維氏硬度試驗和布氏硬度試驗結果會得到近似的硬度值。例如，當硬度值為400以下時，HV≈HB。維氏硬度試驗的試驗力可以小到10gF，壓痕非常小，特別適合測試薄小材料。數(shù)顯顯微硬度計是一種壓入硬度，反映被測物體對抗另一硬物體壓入的能力。測量的儀器是顯微硬度計，它實際上是一臺設有加負荷裝置帶有目鏡測微器的顯微鏡。測定之前，先要將待測磨料制成反光磨片試樣，置于顯微硬度計的載物臺上，通過加負荷裝置對四棱錐形的金剛石壓頭加壓。負荷的大小可根據(jù)待測材料的硬度不同而增減。金剛石壓頭壓入試樣后，在試樣表面上產生一個凹坑。把顯微鏡十字絲對準凹坑，用目鏡測微器測量凹坑對角線長度。根據(jù)所加負荷及凹坑對角線長度就可計算出所測物質的顯微硬度值。圖1-7顯微維氏硬度計外形結構圖七、實驗結果1.布氏硬度值測定材料鋼的