實驗一-材料的硬度測試

實驗一材料的硬度測試實驗?zāi)康恼莆詹肌⒙?、維三種硬度的原理和測試方法。掌握顯微鏡硬度的測試方法及原理。給定各種狀態(tài)的材料選擇適用的硬度測試方法。實驗原理金屬材料的硬度可以認(rèn)為是金屬材料表面局部區(qū)域在接觸應(yīng)力作用下抵抗塑性變形或破裂的能力。由于在金屬表面以下不同深處材料所承受的應(yīng)力和所發(fā)生的變形程度不同，因而硬度值可以綜合反映壓痕附近局部體積內(nèi)金屬的彈性、微量塑變抗力、塑變強(qiáng)化能力以及大量形變抗力，是表征材料性能的一個綜合參量。硬度值越高，表明金屬抵抗塑性變形能力越大，材料產(chǎn)生塑性變形就越困難。

硬度測量能夠定量地給出金屬材料軟硬程度的相對數(shù)量概念。

硬度的實驗方法有十多種，基本可分為壓入法和刻劃法兩大類。在機(jī)械工業(yè)中廣泛采用壓入法來測定硬度。壓入法又可分為布氏硬度、洛氏硬度等，它們只是一些不同的實驗方法而已，沒有什么必然的內(nèi)在關(guān)系。

壓入法硬度實驗有以下幾方面的優(yōu)點，導(dǎo)致它在生產(chǎn)和科研中的廣泛應(yīng)用：

1、

硬度實驗設(shè)備簡單，操作迅速方便；

2、

實驗對象可以是各類工程材料和各種尺寸的零件，無須加工專門的試樣，而且實驗時一般不會破壞成品零件；

3、

作為一種綜合的性能參量，硬度與其他機(jī)械性能指標(biāo)之間有著一定的內(nèi)在聯(lián)系，從一定程度上，可用硬度實驗結(jié)果估算相關(guān)性能而免做復(fù)雜的實驗。如：

金屬的硬度與強(qiáng)度指標(biāo)之間存在著如下近似關(guān)系：

бb=K*HB

式中：бb

—材料的抗拉強(qiáng)度；

K—系數(shù)，取值見表一；

HB—布氏硬度。

4、

材料的硬度還與工藝性能之間有聯(lián)系，可以作為評定材料工藝性能的參考；

5、

硬度能敏感地反映材料的成分與組織結(jié)構(gòu)的變化，可用來檢驗原材料和控制冷熱加工質(zhì)量。（一）布氏硬度：

布氏硬度實驗是對試樣施加一定大小的載荷P，將直徑為D的鋼球壓入試樣表面保持一定時間，然后卸除載荷，根據(jù)鋼球在試樣表面上所壓出的凹痕面積F∞求出平均應(yīng)力值，以此作為硬度值的計量指標(biāo)，用符號HB表示。

計算公式如下：

HB=P/F∞式中：HB—布氏硬度；P—施加外力，N；F∞—壓痕面積，mm2。

根據(jù)壓痕面積和球面之比等于壓痕深度h和鋼球直徑D之比的幾何關(guān)系，可以求出：

F∞=πDh

式中：D—壓頭直徑，mm；h—壓痕深度，mm。

由于測量壓痕直徑d要比測定壓痕深度h容易，而在數(shù)學(xué)表達(dá)式中可將h的改換成d來表示，這樣，在實際測量時，可由壓痕直徑d直接查表得到HB值。

當(dāng)壓頭為淬火鋼球時，硬度符號為HBS，適用于布氏硬度值低于450的金屬材料；當(dāng)壓頭為硬質(zhì)合金球時，硬度符號為HBW，適用于布氏硬度值為450~650的金屬材料。

由于金屬材料有軟有硬，所測工件有厚有薄，若只采用一種載荷和同一個壓頭直徑，則可能對有些試樣合適，而對另一些試樣不合適，會發(fā)生整個壓頭陷入試樣中或?qū)⒃嚇訅和傅默F(xiàn)象。所以，在測定不同材料時應(yīng)用不同的載荷P和不同的直徑D的鋼球。但為了得到統(tǒng)一的、可以進(jìn)行相互比較的數(shù)據(jù)，必須使D和P之間維持一定的比值關(guān)系，以保證所得到的壓痕形狀的幾何相似關(guān)系。經(jīng)數(shù)學(xué)推導(dǎo)可知，只要滿足P/D2=常數(shù)，所得到的HB值就是一樣的，不同材料、不同載荷P和壓頭直徑D所得到的HB可以進(jìn)行相互比較。國標(biāo)GB231-88對此進(jìn)行了規(guī)定，具體實驗數(shù)據(jù)和適用范圍參見表一布氏硬度試驗規(guī)范。

試樣厚度不應(yīng)小于壓痕深度的10倍。壓痕中心距試樣邊緣的距離不應(yīng)小于壓痕直徑的2.5倍，而距相鄰壓痕中心距離不小于壓痕直徑的4倍。

測定時不小于4mm。⑶試樣厚度不應(yīng)小于壓入深度的10倍。（三）維氏硬度注意事項（1）根據(jù)試樣的厚度和硬度范圍在1~100Kgf之間選擇負(fù)荷，在允許范圍內(nèi)盡可能選擇較大的載荷，以提高測量的準(zhǔn)確性，并減小表面組織不均勻帶來的影響。（2）試樣試驗面平滑光潔。目鏡聚焦后，平穩(wěn)加載，壓痕中心至試樣邊緣不小于2.5倍對角線長度。（3）卸載后，聚焦，用目鏡測微尺測量每個壓痕的兩條對角線長d1、d2取平均值d。六、分析討論1、記錄各測試材料硬度值。答：布氏硬度測試采用187.5N的載荷加載30S，測量合金材料的直徑為2.68mm，查表得硬度值為123HB。維氏硬度測得的對角線長度為1.50mm，查表得硬度值324HV10。洛氏硬度采用147.1N的載荷加載15S，測得的三組硬度值分別為49.6HRC、49.1HRC和50.6HRC。顯微硬度每隔0.5mm，測量一組硬度值，測得硬度梯度值為591.9HV、721.0HV、675.3HV。2、簡述布、洛、維硬度計各自特點。答：布氏硬度具有測量精度高，重復(fù)性好的優(yōu)點，但其對樣品要求高，需測量查表。洛氏硬度具有試驗方便直觀，樣品要求低的優(yōu)點，適用于薄樣品、表面處理樣品、軟材料、退火鋼、有色金屬、色處理后的樣品。維氏硬度適用于所有硬度的材料，載荷不影響硬度值，但其樣品要求較高，需測量查表。3、選擇合適測量下列材料硬度的方法和標(biāo)尺：滲碳層的硬度分布、淬火鋼、灰口鑄鐵、氮化層的硬度、高速鋼刀具、退火的20鋼。答：滲碳層的硬度分布采用表面洛氏硬度計（HR15或者HR30）或者維氏硬度進(jìn)行測量。淬火鋼的硬度采用洛氏硬度計進(jìn)行測量?；铱阼T鐵采用布氏硬度計測試硬度值。氮化層的硬度值采用維氏硬度或者顯微硬度進(jìn)行測量。高速鋼刀具采用洛氏硬度進(jìn)行測量。退火的20鋼采用洛氏硬度進(jìn)行測量。4、說出維氏硬度和顯微硬度的區(qū)別，并舉例顯微硬度所適用的試件、答:維氏硬度試驗是測定材料維氏硬度值的試驗。通過維氏硬度計測量，以120kg以內(nèi)的載荷和頂角為136°的金剛石方形錐壓入器壓入材料表面，用材料壓痕凹坑的表面積除以載荷值，得出維氏硬度值HV。根據(jù)試驗力的不同范圍，維氏硬度計分為三種形式：試驗力F≥49.03N或≥HV5為維氏硬度計、試驗力1.961N≤F＜49.03N或HV0.2～＜HV5為小負(fù)荷維氏硬度計，用于測定材料小負(fù)荷維氏硬度值、試驗力0.09807N≤F＜1.96N或HV0.01