金属材料的硬度实验

一、实验目的

1、熟悉掌握布氏、洛氏和维氏硬度测定的基本原理和硬度值表示方法；

2、熟悉掌握布氏、洛氏和维氏硬度测定的应用范围；

3、熟悉掌握布氏、洛氏和维氏硬度计的主要结构及操作方法。

二、实验原理

金属的硬度可以认为是金属材料表面在接触应力作用下抵抗塑性变形的一种能力，硬度测量能够给出金属材料软硬程度的数量概念。由于在金属表面以下不同深处材料所承受的应力和所发生的变形程度不同，因而硬度值可以综合反映压痕附近局部体积内金属的弹性、微量塑变抗力、塑变强化能力以及大量形变抗力。硬度值越高，表明金属抵抗塑性变形能力越高，材料产生塑性变形就越困难。另外，硬度与其它力学性能(如强度指标σb塑性指标ψ和δ)之间有一定的内在联系，所以从某种意义上说硬度的大小对于机械零件或工具的使用性能及寿命具有决定性意义。

1、硬度的实验方法

硬度的实验方法很多，主要有以下三大类：

（1） 压入法  

该方法测出的硬度值主要反映金属表面抵抗另一物体压入引起塑性变形的能力。压入法又可分为布氏硬度（HBW）、洛氏硬度（HR）、维氏硬度（HV）、努氏硬度（HK）、显微硬度。在机械工业中广泛采用的测定硬度的方法是压入法。

（2） 刻划法  

该方法测出的硬度表征金属抵抗破裂的能力。

（3） 弹性回跳法  

该方法是将规定形状的金刚石冲头从固定的高度h0落在试样表面上，冲头被弹起一定高度h。金属越硬，回跳高度h数值越大，因而规定用（h/h0）K=HS。称为肖氏硬度，主要用于大型工件及表面曲面的曲率半径>32mm的工件。

2、硬度测试的作用与特点

(1) 金属的硬度测试可大概推知其对应的强度

金属的硬度与强度指标之间存在如下的定量关系：

σb ≈K.HBW

式中    σb–材料的抗拉强度；        HBW–布氏硬度值；

        K–系数，与材质和处理状态有关，常用材料K值如下：

碳素结构钢      HBW>175  K=0.36

退火状态的碳钢  K=0.34～0.36

合金调质钢      K=0.33～0.35

非铁金属合金    K=0.33～0.53

(2) 硬度试验时应力状态最软（即最大切应力远远大于最大正应力），因而不论是塑性材料还是脆性材料均能发生塑性变形。

(3) 硬度值对材料的耐磨性、疲劳强度等性能也有定性的参考价值。通常硬度越高，这些性能也就越好。在机械零件设计图样上对力学性能的技术要求，往往只标注硬度值，其原因就在于此。

(4) 硬度测定后由于仅在金属表面局部体内产生很小压痕，几乎不破坏被检验的零件，基本属于无损检测，因而适合于成品检验或半成品检验。

(5) 设备简单，操作便捷，只需整理零件表面，不需要特殊制备试样。

(6) 对极小、极大的零件均可测量；对极薄的金属层，如渗碳层、氮化层均可测试。

四、洛氏硬度试验方法

1、试验原理

洛氏硬度试验法是用金刚石圆锥体压头或一定直径的钢球压头，在初始试验力F0和主试验力F1先后作用下压入试件表面，在总试验力F (F0+F1)的作用并保持一定时间后，卸除主试验力F1，保持初试验力F0时的残余压痕深度。洛氏硬度的大小是按压痕深度来测量的，可以由洛氏硬度计上的刻度盘指示出来，不需计算。每压入0.002mm为一个洛氏硬度单位。此种实验特点是硬度测试速度快，留下压痕小，被广泛用于检验试件的硬度。

洛氏硬度试验原理图如图5–2所示。为了避免压头与试样接触不良而影响测量压痕印深度的准确性，洛氏法规定一律先加98.07N初始试验力F0。

图5–2洛氏硬度试验原理图

　　1–在初始试验力F0下的压入深度； 

　　2–在总试验力F0+F1下的压入深度； 

　　3–去除主试验力F1后的弹性回复深度； 

　　4–残余压入深度h； 

　　5–试样表面； 

　　6–测量基准面； 

　　7–压头位置 

洛氏硬度试验压头有两种：一种是顶角120°的金刚石圆锥，另一种是直径为1.5875mm的淬火钢球或3.175mm的淬火钢球。根据金属材料软硬程度不一，可选用不同的压头和载荷配合使用。具体选用范围见表5–4。

表5–4  洛氏硬度的试验范围

(1) 根据被测定金属材料硬度高低，按表5–4选定压头和载荷。

(2) 试样在制备过程中，应尽量避免由于受热、冷加工等对试样表面硬度的影响。

(3) 试样的试验面尽可能是平面，不应有氧化皮及其他污物。

(4) 试样或试验层厚度应不小于e的十倍。试验后，试样背面不得有肉眼可见变形痕迹。

(5) 试样的试验面、支承面、试验台表面和压头表面应清洁。试样应稳固地放置在试验台上，以保证在试验过程中不产生位移及变形。

(6) 在任何情况下，不允许压头与试验台及支座触碰。试验支承面、支座、和试验台工作面上均不得有压痕。

(7) 试验时，必须保证试验力方向与试样的试验面垂直。

(8) 在试验过程中，试验装置不应受到冲击和振动。

(9) 施加初始试验力时，指针或指示线不得超过硬度计规定范围，否则应卸除初始试验力，在试样另一位置试验。

(10) 达到要求的保持时间后，在2s内平稳地卸除主试验力，保持初始试验力，从相应的标尺刻度上读出硬度值。

(11) 两相邻压痕中心间距离至少应为压痕直径的4倍，但不得小于2mm。任一压痕中心距试样边缘距离至少应为压痕直径的2.5倍，但不得小于1mm。

(12) 在每个试样上的试验点数应不少于四点（第一点不记）。对大批量试样的检验，点数可适当减少。

3、表示方法

(1) 洛氏硬度用符号HR表示。HR前面为硬度值，后面为使用的标尺。例如：50HRC表示用C标尺测定的洛氏硬度值为50。

(2) 试验报告中给出的洛氏硬度值应精确至0.5个洛氏硬度单位。

4、洛氏硬度试验机的结构

(1) 机体与工作台：试验机有坚固的铸铁机体，在机体前面安装有不同形状的工作台，通过手轮的转动，借助螺杆的上下移动，而使工作台上升或下降。

(2) 加载机构：有加载杠杆（横杆）及挂重杆（纵杆）等组成，通过杠杆系统将载荷转至压头而压入试样。借扇形齿轮的转动可完成加载和卸载任务。

(3) 千分表指示盘，通过指示盘指示各种不同的硬度值。

5、洛氏硬度试验机的操作规程

 (1) 根据试样预期硬度按表5–3确定压头和载荷，并装入试验机。

(2) 将符合要求的试样放置在试样台上，将手轮顺时针旋转，使升降丝杆上升，压头渐渐接触试样，刻度盘指针开始转动。此时小指针从黑点移到红点，与此同时，大指针转动三圈至零位±5HR分度处，即停止上升。此时即已予加载荷98.07N。

(3) 微调刻度盘调零，HRA、HRC零点为0，HRB零点为30。

(4) 揿按钮开关。

(5) 指示照明灯从亮到熄，等保荷时间到第二次灯亮，指示灯停转，立即读出硬度测试值。HRA、HRC读外圈黑刻度，HRB读内圈红刻度。

(6) 逆时针旋转手轮，取出试样，测试完毕。