金屬材料硬度測試實驗

1、pd(d-d2-d2)實驗報告課程名稱：材料性能研究技術(shù)成績：實驗名稱：金屬材料硬度測試實驗批閱人：實驗時間：實驗地點：x5406報告完成時間：2姓名：學(xué)號：班級：同組實驗者：指導(dǎo)教師：一、實驗?zāi)康?.了解不同類型硬度測試的基本原理。2.了解不同類型硬度測試設(shè)備的特點及應(yīng)用范圍。3.掌握各類硬度計的操作方法。二、實驗原理金屬的硬度可以認(rèn)為是金屬材料表面在壓應(yīng)力作用下抵抗塑性變形的一種能力。硬度測試能夠給出金屬材料軟硬度的定量概念，即：硬度示值是表示材料軟硬程度的數(shù)量指標(biāo)。由于在金屬表面以下不同深度處材料所承受的應(yīng)力和所發(fā)生的變形程度不同，因而硬度值可以綜合地反映壓痕附近局部體積內(nèi)金屬的彈性、微

2、量應(yīng)變抗力、應(yīng)變強(qiáng)化能力以及大量形變抗力。硬度值越高，表明金屬抵抗塑性變形的能力越大，材料產(chǎn)生塑性變形就越困難。硬度的大小對于機(jī)械零件或工具的使用壽命具有重要的影響。硬度測試方法有很多，大體可以分為彈性回跳法（如肖氏硬度）、壓入法（如布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度）和劃痕法（如莫氏硬度）等三類。硬度是表征金屬材料軟硬程度的一種性能，其物理意義隨著試驗方法的不同而表示不同的意義。其中彈性回跳法主要表征金屬彈性變形功的能力；壓入法主要表征金屬塑性變形抗力及應(yīng)變硬化能力；而劃痕法主要表征金屬切斷能力。下面介紹三種最常用的硬度測試方法：1、布氏硬度（1）布氏硬度試驗原理用一定直徑d（mm）的硬質(zhì)合金球作

3、為壓頭，用一定的試驗力f（n），將其壓入試樣表面，經(jīng)過規(guī)定的保持時間t（s）之后卸載試驗力，觀察試樣表面，會發(fā)現(xiàn)有殘留壓痕（如圖1）。測殘留壓痕的平均直徑d（mm），然后求出壓痕球形面積a（mm）。布氏硬度值（hbw）就是試驗力f除以壓痕表面積a所得的商，f以n作為單位時，其計算公式為0.102f0.204fhbw=a材料注：布氏硬度值不標(biāo)出單位布氏硬度試驗用的壓頭球直徑有10mm、5mm、2.5mm和1mm四種，主要根據(jù)試驗厚度選擇，選擇要求是使壓痕深度h小于試樣厚度的1/8。當(dāng)試樣厚度足夠時，應(yīng)盡量選用10mm的壓頭球。（2）布氏硬度的特點布氏硬度試驗時一般采用直徑較大的壓頭球，所以它所得

4、的壓痕面積會比較大。壓痕面積大的一個優(yōu)點就是它的硬度值能反映金屬在較大范圍內(nèi)各組成相的平均性能，而不會受到個別的組成相和微小相的影響，所以說，布氏硬度試驗主要用于測定灰口鑄鐵，軸承合金等具有粗大晶?；蚪M成相的金屬材料的硬度；壓痕較大的另外一個優(yōu)點就是實驗的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性強(qiáng)。但是壓痕面積較大的缺點就是不能再成品上進(jìn)行試驗，布氏硬度的另外一個缺點就是對于不同的材料需要更換不同直徑的壓頭球并且需要改變試驗力，壓痕直徑的測量也會比較麻煩，所以一般不用于自動檢測。（3）布氏硬度的表示方法布氏硬度值與試驗規(guī)范有關(guān)，所以它的表示方法能反映規(guī)范的內(nèi)容，布氏硬度的表示方法有：硬度值；符號hbw；球直徑；試驗力

5、；試驗力保持時間（10s-15s不標(biāo)注）。后3項之間各用斜線隔開。如600hbw1/30/20表示用直徑1mm的硬質(zhì)合金球在294.2n試驗力下保持20s測得的不是硬度值為600。需要注意的是：在布氏硬度表示方法中，試驗力的單位是千克力（kgf），2者的換算關(guān)系是1kgf=9.80665n。2、洛氏硬度（1）洛氏硬度試驗原理洛氏硬度是通過測量壓痕深度來表示材料的硬度值。洛氏硬度試驗所用到的壓頭有兩種：一種是一定直徑的小淬火鋼球或硬質(zhì)合金球；另外一種就是圓錐角=120的金剛石圓錐體。試驗時，先加初試驗力f，在試樣表面得到一壓痕，深度為h。此時，此00時，測量壓痕深度的指針在表盤上指零。然后加上住

6、試驗力f，壓頭壓入深度為1h。表盤上指針以逆時針方向轉(zhuǎn)動到相應(yīng)的刻度位置。試樣在f作用下產(chǎn)生的總11變形h中包括彈性變形與塑性變形。當(dāng)f卸除后，總變形中的彈性變形恢復(fù)，壓11頭回升一段距離（h-h）。這時試樣表面殘留的塑性變形深度h即為壓痕深度，1而指針順時針方向轉(zhuǎn)動停止時所指的數(shù)值就是洛氏硬度值。規(guī)定每0.002mm的壓痕深度為一個硬度單位。于是洛氏硬度值（hr）的計算公式：錯誤！未找到引用源。式中，當(dāng)使用金剛石圓錐壓頭時，k=0.2mm：當(dāng)使用淬火鋼球或硬質(zhì)合金壓頭時，k=0.26mm。材料（2）洛氏硬度的特點洛氏硬度試驗的優(yōu)點是：壓痕較小，可在工件上進(jìn)行試驗；操作簡便，迅速，硬度值可以直

7、接讀出；采用不同的標(biāo)尺可以測定各種軟硬不同的金屬盒厚薄不一的試樣的硬度，所以廣泛用于熱處理的質(zhì)量檢測。它的缺點是：壓痕較小，代表性差；若材料中有偏析和組織不均勻等缺陷，則其測得的硬度重復(fù)性差，分散度大；由于用不同的標(biāo)尺所測得的硬度值彼此沒有聯(lián)系，所以不能夠直接比較。（3）洛氏硬度的表示方法。不同的壓頭和試驗力對應(yīng)不同的洛氏硬度標(biāo)尺。一般經(jīng)淬火處理的鋼或工具都采用hrc測量。洛氏硬度的表示方法是：硬度值，符號hr，標(biāo)尺字母。如70hrc表示用c標(biāo)尺所測得的洛氏硬度值為70。3、維氏硬度（1）維氏硬度試驗原理維氏硬度是根據(jù)壓痕單位面積所承受的試驗力來計算硬度值的，其壓頭是兩相對面間夾角為136的金

8、剛石四棱椎體。壓頭在試驗力f（n）作用下將試樣的表面壓出一個四方錐形的壓痕，經(jīng)過一定的保持時間后卸載試驗力，測出壓痕對角線的平均長度dd=（d1+d2）/2,用來計算壓痕表面積a（mm）。維氏硬度值（hv）為試驗力f除以壓痕表面積a所得的商，即0.102f0.204fsin(136/2)fhv=0.1891ad2d2注：維氏硬度值不標(biāo)注單位。維氏硬度采用正四棱錐體做壓頭的原因,是當(dāng)改變試驗力時壓痕的幾何形狀總保持相似，而不致影響硬度值。維氏硬度常用的試驗力范圍為49.03-980.7n，使用時應(yīng)視材料的厚度及預(yù)期的硬度,盡可能的采用較大的試驗力，以減小壓痕尺寸的測量誤差。如果維氏硬度試驗時所選

9、用的試驗力較小，在0.098n-0.9807n之間，則課測定金屬箔、極箔的表面層的硬度以及合金中各種組成相的硬度。由于壓痕的尺寸較小，所以為了提高精度，需要配用顯微放大裝置，這就是顯微維氏硬度試驗。（2）維氏硬度的特點維氏硬度的優(yōu)點是：不存在洛氏硬度試驗時不同標(biāo)尺無法統(tǒng)一的弊端；不存在布氏硬度試驗時要求試驗力f與壓頭直徑d之間所規(guī)定的條件的約束；試驗時試驗力可以任意選取，而且壓痕測量的精度較高，測得的硬度較為準(zhǔn)確。缺點是由于硬度值需要通過測量壓痕對角線長度后才能進(jìn)行計算或查表，所以工作效率低。（3）維氏硬度的表示方法是：硬度值，符號hv，試驗力，試驗力保持時間（10-15s不標(biāo)注）。如600h

10、v30表示試驗力為294.2n下保持10-15s測得的維氏硬度為640。對比三種硬度測試方法，布氏硬度適用于硬度較低的材料，一般小于hrc15，如有色金屬、低碳鋼等；洛氏硬度則可以測高硬度的材料，硬度值在hrc2067材料之間；維氏硬度的應(yīng)用非常廣泛，特別適用于測試表面處理層等小范圍的硬度，但是測試前試樣必須拋光處理。二、實驗設(shè)備及材料1、實驗設(shè)備：布氏硬度計，洛氏硬度計，數(shù)字式顯微硬度計，測量顯微鏡。2、實驗材料：a3鋼正火，45#鋼淬火+回火，a3鋼退火。三、實驗內(nèi)容1、制備樣品首先，取a3鋼和45#鋼進(jìn)行如下表所示的熱處理：表1熱處理方案試樣編號材料處理工藝1#a3鋼正火2#45#鋼淬火

11、+回火3#a3鋼退火然后，對熱處理后的3個試樣分別進(jìn)行磨制、拋光等處理，其中3#試樣還要用硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕處理。2、硬度測試對3個試樣，分別利用與其對應(yīng)的硬度測試方法測出其硬度值，并記錄于表2中：表2硬度測試結(jié)果試樣編號測試方法1#布氏硬度（hb）2#洛氏硬度3#維氏硬度（hv）硬度值(1875n;10mm)124.70127.07125.60（hrc）59.558.560.0珠光體105.8146.0鐵素體134.1214.3平均值59.3四、結(jié)果分析從表1中擬定的不同材料的硬度測試方法和表2中硬度測試的結(jié)果分析可知：a3鋼正火試樣的硬度值較低，用布氏硬度測得，這是因為a3鋼正火組織為p+f，其硬度較低，而布氏硬度適合于測試較軟的材料，如有色金屬和低碳鋼等，其可測試的硬度值一般小于hrc15。45#鋼淬火+回火試樣的硬度值較高，測試的是其洛氏硬度，這是因為45#鋼淬火+回火組織是回火馬氏體，為較硬的組織，洛氏硬度可以測試