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金属材料硬度试验


实验一 金属材料的硬度实验
一、实验目的 1. 了解布氏、洛氏硬度测定的基本原理及应用范围。 2. 了解布氏、洛氏硬度试验机的主要结构及硬度数据的测试方法。 二、实验原理 金属 的硬 度可 以 认为 是 金属 材料 局部 表 面在 接 触压 力的 任用 下 抵抗 塑 性 变形的一种能力。硬度值是材料性能的一个重要指标。试验方法简单、迅速, 不需要专门的试样,同时保持试样

的完整性,设备也比较简单。而且对大多数 金属材料,可以硬度值估算出它的抗拉强度。因此在设计图纸的技术条件中大 多规定材料的硬度值。检验材料或工艺是否合格有时也需用硬度。所以硬度试 验在生产中广泛使用。 硬度测试方法很多,使用最广泛的是压入法。压入法就是一个很硬的压头 以一定的压力压入试样的表面,使金属产生压痕,然后根据压痕的大小来确定 硬度值。压痕越大,则材料越软;反之,则材料越硬。根据压头类型和几何尺 寸等条件的不同,常用的硬度测试方法可分为布氏法、洛氏法和维氏法三种。 三、布氏硬度(HB) 布氏硬度用符号 HB 表示。 这种试验方法是把规定直径 ( 10mm 、 5mm 、 2.5mm ) 的硬质合金球以一定的试验力压入所测材料的表面(如图 1-1 所示) ,保持规 定时间后,测量表面压痕直径(如图 1-2 所示) ,然后按下式计算硬度:

HBW ?
式中

P 2P ? F ?D( D ? D 2 ? d 2 )

HBW- 表示用硬质合金球测试时的布氏硬度值; P- 载荷( kgf ) ; ( 1kgf = 9.8N ) D- 压头钢球直径( mm ) ; d- 压痕平均直径( mm ) ;
1

F- 压痕面积( mm2 ) ; 式中只有 d 是变数,故只需要测出压痕直径 d ,根据已知 D 和 P 值就可以 计算出 HB 值。布氏硬度习惯上不标出单位。生产中已专门制定了平面布氏硬 度值计算表见附录一,用读数显微镜测出压痕直径后,直接查表就可获得 HB 硬度值。

图 1-1 布氏硬度测量示意图

图 1-2 用读数显微镜测量压痕直径

由于金属材料有软有硬,工件有厚有薄,有大有小,如果只采用同一种载 荷和钢球直径时,就会出现对硬的材料合适,而对软的材料可能发生钢球陷入 金属内部的现象; 若对厚的材料合适, 而对薄的材料又可能会出现压透的现象。 因此为了得到统一的,可以相互比较的值,必须使 P 和 D 之间维持某一比值关 系。这样对同一种材料而言,不论采用何种大小的载荷和钢球直径,只要能满

P 2 足 D =常数,所得的 HB 值是同样的;则对不同的材料来说,所得的 HB 值也 P 2 D 是可以进行比较的。按照 GB231 - 63 规定, 比值有 30 、 10 和 2.5 三种。
具体试验数据的选择和使用范围可参考表 1-1 由于 硬度 和强 度 都以 不 同形 式反 映了 材 料在 外 力作 用下 抵抗 塑 性变 形 的 能力,因而硬度和强度之间有一定的关系,其经验换算公式为:

2

低碳钢 高碳钢 调质合金钢 铝铸件

HB ? ? b / 3.6 HB ? ? b / 3.4
HB ? ? b / 3.25

HB ? ? b / 0.26
HB ? ? b / 0.55

退火青铜和黄铜 锌合金

HB ? ? b / 0.09
表 1-1 布氏硬度试验规范
试样厚 HBS 范 钢球直 载何保 载荷 P 径 (kgf) D(mm) 10 30 5 2.5 10 10 5 2.5 10 10 5 2.5 10 2.5 5 2.5 3000 750 187.5 1000 250 62.5 1000 250 62.5 1000 650 15.6 60 30 10 10 (S) 持



料 围

度 (mm)

P D2

黑色金属 (如钢 140- 的退火、正火、 450 调质状态

>6 6-3 <3 >6

黑色金属

<140

6-3 <3

有色金属及合 36- 金 (如铜、 黄铜、 130 青铜、镁合金)

>6 6-3 <3 >6

铝合金及 8-35 轴承合金 <3 6-3

硬度和强度对照表可查本书附录一。 由于 布氏 硬度 计 算出 的 抗拉 强度 只是 近 似值 , 必然 与实 际抗 拉 强度 有 差
3

别。 布氏硬度测试法的优点是:压痕面积较大,因而受试样中成份偏析和组织 偏析的影响较小,能够较精确地反映试样的硬度。其缺点是:需要经常更换压 头与载何,测量较麻烦,不适宜测定成品件和较薄的材料。 布氏硬度试验机的结构和操作: 布氏硬度试验机的外形结构如图 1-3 所示,其操作方法如下:

图 1-3 HB-3000 布氏硬度试验机外形结构图 1. 按表( 1-1 )选用适当的压头,负荷及保荷时间。拧松压紧镙钉,把时 间定位器(红色指示点)转到与持续时间相符的位置上。 2. 将试样放在工作台上,顺时针转动手轮使压头和试样缓慢接触,直到 手轮与镙母产生相对打滑为止。 3. 打开电源开关,绿灯亮。 4. 按动加载按钮,启动电动机,载荷砝码经一系列的杠杆系统传递到压 头,即开始加载荷。此时因压紧镙钉已拧松,园盘并不转动,当红色指示灯亮 时,迅速拧紧压紧镙钉。达到所要求的持续时间后,即自动卸荷。从启动按钮 形状到红灯亮为加荷阶段;红灯亮到红灯灭为保荷阶段;红灯灭到电动机停止 转动为卸荷阶段。 5. 逆时针转动手轮降下工作台,取下试样用读数显微镜测出压痕直径 d 值,以此值查表附录(一)即得 HB 值。
4

布氏硬度值测定注意事项: ⑴ 试样表面必须光洁平整,以使压痕边缘清晰,保证精确测量压痕 d 。 ⑵ 操作时动作要稳、缓、轻。 ⑶ 压痕距试样边缘应大于 D ,两压痕间距也应大于 D 。

P 2 ⑷ 当选用不同的 D 时,布氏硬度值之间不能进行直接对比。
⑸ 用读数显微镜测量压痕直径 d 时,应从互相垂直的两个方向上进行, 取其平均值。 四 、 洛 氏 硬 度 ( HR) 洛氏硬度实验法是采用金钢石园锥体或淬火钢球压入金属表面, 如图 1-4a 所示。对硬材料如淬火后的钢件,用金钢石压头;对较软的金属则用淬火钢球。 通常有 60 、 100 和 150kgf 三种载荷,而且为了减少因零件表面不光滑而造成 的误差,需首先加 10kgf 的初 始 载 荷 。 洛 氏 硬 度 的 测 试 原 理 如 图 1 - 4b. 所示。 根据所用压头种类和所加载荷的不同,洛氏硬度分为 HRA 、 HRB 、 HRC 等, 表 1-2 所列为洛氏硬度试验规范。

图 1-4 洛氏硬度测试法原理图
1—加初始试验力 10kg 2—加主试验力后 3—卸除主试验力后

如果直接用压痕深度的大小来作计量硬度值的指标,势必造成越硬的材料
5

洛氏硬度值越小,而越软的材料的洛氏硬度值越大,不符合人们的习惯。为了 与习惯上数值越大硬度越高的概念相一致,将测试结果作以下处理:

HR ? K ?

h 0.002

式中: HR 为洛氏硬度代号; K 为常数,当采用金钢石压头时 K = 100 ,用

? 1.588mm 淬火钢球压头时 K= 130;规定每 0.002mm 压痕深度为 1 洛氏硬度单
位。 表 1-2 常用三种洛氏硬度试验规范
符 号 HRA 压头 总载荷 kgf(N) 60(588.4) 硬度值 有效范围 20- 88HRA 20- 100HRB 20- 70HRC 使用范围 适用于测量硬质合金 表面淬火或渗碳层 适用于测量有色金 属、 退火、 正火钢等 适用于测量调质钢 淬火钢等

金钢石园锥 120°

HRB

1.588mm(1/16″)淬火钢球

100 (980.1) 150 (1471.1)

HRC

金钢石园锥 120°

洛氏硬度的数值可直接从硬度计上读出,不需换算和查表,非常方便。读 出来的数值,没有单位,习惯上常称“度” 。洛氏硬度的不同硬度标尺之间, 洛氏硬度与布氏硬度之间,以及与其它硬度之间,没有理论上的相应关系,不 能直接比较。要比较时需查硬度值对照表附录(二) ,即压痕直径与布氏硬度 值及相应洛氏硬度值对照表。 洛氏硬度测试方法简单迅速,可测量最软至最硬的材料。由于压痕小,故 可测量成品及较薄另件的硬度。 但也由于压痕小, 对组织和硬度不均匀的材料, 测试结果不准确。通常应从试件不同的位置测三点,再取其平均值。 实验选用 TH30 与 HR - 150 型洛氏硬度计。 1. TH300 洛氏硬度计的结构和操作

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图 1-5 TH300 洛氏硬度计 其结构示意图见(图 1-6 ) ,操作键盘如(图 1-7 )所示。

1 -上盖 6 -手轮

2 -压头座

3 -压头

4 -样品台 9 -侧门

5 -丝杠护套

7 -丝杠 11 -显示屏

8 -底脚螺钉 12 -键盘

10 -开关、电源板

13 -试验力转换手柄

图 1 - 6 TH300 洛氏硬度计结构示意图
LANG +/Σ HR φ MENU —菜单语言选择 —上下限设置 —数据统计 —标尺转换 —曲面修正 —主菜单

▲.▼ —滚动方向 ENTER —确认 7

图 1-7 TH300 洛氏硬度计操作键盘图 TH300 洛氏硬度计操作方法如下: ⑴ 加载初试验力 将被测试样旋转在样品台中央,顺时针平稳转动手轮,使样品台上升,试 样与压头接触。此时屏幕上出现压头运动过程示意图,见(图 1 - 8 ) ,最后一 个表示加载初试验力终止位置。平缓转动手轮,直到图中所示压头到达终止位 置,屏幕上出现“正在测量”,同时伴有蜂鸣报警,此时应立即停止转动手轮。 如果手轮转动有少量过量,不影响测量结果及精度;如果转动过量较大, 试验机自动报警,并提示,见(图 1 - 9 ) ,此时应重新开始。

图 1-8 试验机自动报警 ⑵ 自动测试

图 1-9 手轮转动过量提示

初试验力加载完成后,测试自动进行。完成主试验力加载 - 保持 - 卸载 - 读 数 - 数据处理 - 结果显示过程,测试结果见(图 1 - 10 ) 。

52.6HRC
图 1-10 测试结果显示 ⑶ 卸载 逆时针转动手轮,样品台下降,全部试验力卸除;所有试验参数自动记忆, 等待下次测试。 2. HR - 150 洛氏硬度计的结构和操作
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洛氏硬度计的结构(如图 1 - 11 )所示,其操作方法如下: ⑴ 根据试样的硬度值范围,按表 1-2 选择适当的压头和载荷。 ⑵ 将符合要求的试样放置在试样台上,顺时针转动手轮,使试样与压头 缓慢接触。直至小指针指向小红点为止。此时即已予加载荷 10kg ,然后调整指 示器大指针对正零点。 ⑶ 轻轻向前推动手柄,施加主载荷,大指针按逆时针方向转动,待转动 停止后,再将手柄板回卸去主载荷,大指针又顺时针方向转动,自动停止后, 大指针所指表盘上的数据即为该材料的洛氏硬度值。 ⑷ 逆时针转动手轮,降下载物台,取出试样。

图 1 - 11 HR - 150 型洛氏硬度试验机结构图 洛氏硬度值测定注意事项: ⑴ 试件两端要平行,不得带有油污,氧化皮和显著加工痕迹等。 ⑵ 压痕中心距边缘或两压痕间距为:HRA 、HRC 测定时不小于 2.5mm ,HRB 测定时不小于 4mm 。 ⑶ 试样厚度不应小于压入深度的 10 倍。

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金属材料的硬度实验

实验报告
班级
一、实验目的

姓名

学号

二、实验内容 1. 布氏硬度值测定(填写下列数据)
压痕直 材料 钢的载荷选 径 ( mm ) 名 称 厚 度 ( mm ) 状 态 钢球直径 D ( mm ) 载荷大小 P ( kg ) d 布氏硬度 值

2. 洛氏硬度值测定(填写下列实验数据)
材料 名 称 厚度( mm ) 状 态 压头与载荷 洛氏硬度值

1

三、实验结果分析 1. 简述布氏和洛氏硬度实验原理,应用范围及特点。

2. 分述 244HBS10/3000/10 中各数字所表示的意义。

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