實驗講義八材料的硬度試驗

1、實驗八 材料的硬度試驗一、金屬的硬度試驗概述金屬的硬度可以認(rèn)為是金屬材料表面在接觸應(yīng)力作用下抵抗塑性變形的一種能力。硬度測量能夠給出金屬材料軟硬程度的數(shù)量概念。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地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。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。另外，硬度與其它機(jī)械性能（如強(qiáng)度指標(biāo)b及塑性指標(biāo)和）之間有著一定的內(nèi)在聯(lián)系，所以從某種意義上說硬度的大小對于機(jī)械零件或工具的使用性能及壽命具有決定性意義。硬度的試驗方法很多，在機(jī)械工業(yè)中廣泛采用壓入法來測定硬

2、度，壓入法又可分為布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等。壓入法硬度試驗的主要特點是：1試驗時應(yīng)力狀態(tài)最軟（即最大切應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大正應(yīng)力），因而不論是塑性材料還是脆性材料均能發(fā)生塑性變形。2金屬的硬度與強(qiáng)度指標(biāo)之間存在如下近似關(guān)系：bK·HB式中：b 材料的抗拉強(qiáng)度值；HB 布氏硬度值；K 系數(shù)。退火狀態(tài)的碳鋼 K = 0.340.36合金調(diào)質(zhì)鋼K = 0.330.35有色金屬合金K = 0.330.533硬度值對材料的耐磨性、疲勞強(qiáng)度等性能也有定性的參考價值，通常硬度值高，這些性能也較好。在機(jī)械零件設(shè)計圖紙上對機(jī)械性能的技術(shù)要求，往往只標(biāo)注硬度值，其原因就在于此。4硬度測定后由于不僅在金

3、屬表面局部體積內(nèi)產(chǎn)生很小壓痕，并不損壞零件，因而適合于成品檢驗。5設(shè)備簡單，操作迅速方便。（一）實驗?zāi)康?.了解硬度測定的基本原理及應(yīng)用范圍；2.了解洛氏硬度計的主要結(jié)構(gòu)及掌握操作方法；3. 了解布氏硬度計的主要結(jié)構(gòu)及掌握操作方法。（二）洛氏硬度（HR）1洛氏硬度試驗的基本原理洛氏硬度屬于壓入硬度法，但它不是測定壓痕面積，而是根據(jù)壓痕深度來確定硬度值指標(biāo)。其試驗原理如圖1所示。圖1 洛氏硬度試驗原理圖 洛氏硬度試驗所用壓頭有兩種：一種是頂角為120°的金剛石圓錐，另一種是直徑為（1.588mm）或（3.176mm）的淬火鋼球。根據(jù)金屬材料軟硬程度不一，可選用不同的壓頭和載荷配合使用，

4、最常用的是HRA、HRB、HRC。這三種洛氏硬度的壓頭、負(fù)荷及使用范圍列于表1。洛氏硬度測定時，需要先后兩次施加載荷（預(yù)載荷和主載荷），預(yù)加載荷的目的是使壓頭于試樣表面接觸良好，以保證測量結(jié)果準(zhǔn)確，圖1中0-0位置為未加載荷時的壓頭位置，1-1位置為加上10kgf預(yù)加載荷后的位置，此時壓入深度為h1,2-2位置為加上主載荷后的位置，此時壓入深度為h2,h2包括由加載所引起的彈性變形和塑性變形，卸除主載荷后，由于彈性變形恢復(fù)二稍提高到3-3位置，此時壓頭的實際壓人深度為h3。洛氏硬度就是以主載荷所引起的殘余壓入深度（h=h3-h1）來表示。但這樣直接以壓入深度的大小表示硬度，將會出現(xiàn)硬的金屬硬度

5、值小，而軟的金屬硬度值大的現(xiàn)象。為了與習(xí)慣上數(shù)值越大硬度越高的概念相一致，采用一常數(shù)（K）減去（h3-h1）的差值表示硬度值。為簡便起見又規(guī)定每0.002mm壓入深度作為一個硬度單位（即刻度盤上一小格）。表1 洛氏硬度的試驗范圍材料硬度范圍（HB）試樣厚度（mm）鋼球直徑D（mm）載荷（kgf）載荷保持時間（s）黑色金屬140450<1406342<2>663<330101052.51052.53000750187.5100025062.51010鋁合金及鎂合金36120>663<3101052.5100025062.530鋁合金及軸承合金835>66

6、3<32.51052.525062.515.660洛氏硬度值的計算公式如下：式中：h1 預(yù)加載荷壓人試樣的深度（mm）；h3卸除主載荷后壓人試樣的深度（mm）；K常數(shù)，采用金剛石圓錐時K=0.2(用于HRA、HRC)，采用鋼球時K=0.26（用于HRB）。因此，上式可改為：HRC(或HRA)=100- HRB=130- 2測定洛氏硬度的技術(shù)要求（1）根據(jù)被測金屬材料的硬度高低，按表1選定壓頭和載荷。（2）試樣表面應(yīng)平整光潔，不得有氧化或油污以及明顯的加工痕跡。（3）試樣厚度應(yīng)不小于壓人深度的10倍。（4）兩相鄰壓痕及壓痕離試樣邊緣的距離均不應(yīng)小于3mm.（5）加載時力的作用線，必須垂直于

7、試樣表面。3洛氏硬度計的結(jié)構(gòu)和操作（1）H-100型杠桿式洛氏硬度計的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其主要部分及作用如下：1-支點； 2-指示器； 3-壓頭； 4-試樣； 5-試樣臺； 6-螺桿； 7-手輪； 8-彈簧； 9-按鈕；10-杠桿；11-縱桿； 12-重錘； 13-齒桿； 14油壓緩沖器； 15-插銷； 16-轉(zhuǎn)盤； 17-小齒輪； 18-扇齒輪 圖2 H-100型杠桿式洛氏硬度計的結(jié)構(gòu)圖機(jī)體及工作臺：試驗機(jī)有堅固的鑄鐵機(jī)體，在機(jī)體前面安裝有不同形狀的工作臺，通過手輪的轉(zhuǎn)動，借助螺旋的上下移動而使工作臺上升或下降。加載機(jī)構(gòu)：由加載杠桿（橫桿）及掛重架（縱桿）等組成，通過杠桿系統(tǒng)將載荷傳

8、至壓頭而壓人試樣，借助扇形齒輪的轉(zhuǎn)動可完成加載和卸載任務(wù)。千分表指示盤：通過刻度盤指示各種不同的硬度值（如圖3所示）。（2）操作規(guī)程如下：根據(jù)試樣預(yù)期硬度按表1確定壓頭和載荷，并裝入試驗機(jī)。將符合要求的試樣放置在試樣臺上，順時針轉(zhuǎn)動手輪，使試樣于壓頭緩慢接觸，直至表盤小指針指到“0”為止，此時即已預(yù)加載荷10kgf。然后將表盤大指針調(diào)整至零點。此時壓頭位置即為圖1中的11位置。按動按鈕，平穩(wěn)地加上主載荷。當(dāng)表盤中大指針反向旋轉(zhuǎn)若干格并停止時，持續(xù)34秒（此時壓頭位置相當(dāng)于圖1中的33位置）。由表盤上可直接讀出洛氏硬度值，HRA、HRC讀外圈黑刻度，HRB讀內(nèi)圈紅刻度。逆時針旋轉(zhuǎn)手輪，取出試樣，

9、測試完畢。 圖3 洛氏硬度指示盤（三）布氏硬度（HB）1錘擊式布氏硬度試驗的基本原理本硬度計試驗法是以一定直徑的鋼珠，在施以瞬時的沖擊試驗力后，使鋼珠陷于被試驗件于標(biāo)準(zhǔn)硬度試塊中，從而獲得壓痕，通過對壓痕的簡單測量與查表即可迅速獲得試件的硬度值。2測定布氏硬度的技術(shù)要求（1）本硬度計測定的試件的硬度必須低于硬度計中鋼珠的硬度，一般測定淬火、回火、退火鋼的布氏硬度，鑄鐵布氏硬度、銅合金、鋁合金的布氏硬度。（2）試樣表面應(yīng)平整光潔。（3）試樣厚度不小于壓入深度的10倍。（4）兩相鄰壓痕中心距離不得小于10mm。（5）錘擊時要垂直而短促，不得在同一壓痕上敲擊第二次。（6）不能太過用力敲擊，

10、標(biāo)準(zhǔn)試塊上所產(chǎn)生的鋼珠壓痕直徑不能超過4.2mm。3錘擊式布氏硬度計的操作（1）將標(biāo)準(zhǔn)硬度試塊大倒角形的一端插入鋼珠及沖頭之間；（2）將裝有標(biāo)準(zhǔn)試塊的硬度計垂直的放在試件表面上；（3）用錘自垂直而短促的敲擊沖頭（敲擊不必太重）；（4）測量標(biāo)準(zhǔn)試塊及試件上的壓痕尺寸；（5）使用表格，確定硬度。4表格用法（1）找出你試驗材料的附表；（2）從表中先找出“在標(biāo)準(zhǔn)試塊上鋼珠的壓痕直徑”標(biāo)題欄；（3）根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)試塊實測壓痕直徑確定某一橫欄；（4）尋找“在試件上鋼珠壓痕直徑”標(biāo)題欄；（5）根據(jù)試件實測壓痕直徑確定某一縱欄；（6）將得到的橫欄于縱欄延伸，相交處即得到所查的布氏硬度及抗拉強(qiáng)度；（7）將所查出的試件

11、的布式硬度乘以所用標(biāo)準(zhǔn)試塊上刻印的比例系數(shù)即得到了所試驗的布式硬度值。（在表中所列的數(shù)字是以布式硬度為197HB的標(biāo)準(zhǔn)試塊作為根據(jù)的）。（四）實驗方法指導(dǎo)1實驗內(nèi)容（1）H-150洛氏硬度計及HB-2型錘擊式硬度計的結(jié)構(gòu)刨析；（2）待測硬度的試件制備；（3）各類金屬材料（主要是鋼45、T12等）的洛氏或布式硬度測定。2實驗設(shè)備及材料（1）H-150型洛氏硬度計；（2）HB-2型錘擊式布氏硬度計；（3）讀數(shù)放大鏡；（4）45鋼、T12鋼、鑄鐵、銅合金等。3注意事項（1）試樣兩端要平行，表面應(yīng)平整，若有油污或氧化皮，可用砂紙打磨，以免影響測試。（2）圓柱形試樣應(yīng)放在帶有“V”型槽的工作臺上操作，以

12、防試樣滾動。（3）加載時應(yīng)細(xì)心操作，以免損壞壓頭。（4）加預(yù)載荷（10kgf）時若發(fā)現(xiàn)阻力太大，應(yīng)停止加載，立即報告，檢查原因。（5）測完硬度值，卸掉載荷后，必須使壓頭完全離開試樣后再取下試樣。（6）金剛鉆壓頭系貴重物件，質(zhì)硬而脆，使用時要小心謹(jǐn)慎，嚴(yán)禁與試樣或其它物件碰撞。（7）應(yīng)根據(jù)硬度試驗機(jī)使用范圍，按規(guī)定合理選用不同的載荷和壓頭，超過使用范圍將不能獲得準(zhǔn)確的硬度值。（五）實驗報告要求1實驗?zāi)康摹?實驗原理（解釋洛氏硬度測定中，為什么用K-(h3- h1)的1/0.002值來表示強(qiáng)度值。3測定硬度的步驟及數(shù)據(jù)。4結(jié)果分析及體會。二、橡膠的硬度試驗概述橡膠硬度表示橡膠抵抗外力壓入的能力，其

13、硬度值的大小表示了橡膠的硬軟程度。由于橡膠的硬度與其他力學(xué)性能入定伸、彈性、磨耗等都有密切的關(guān)系，因此，在某種意義上可以通過測量其硬度間接了解其他力學(xué)性能。各種橡膠制品都有一定的硬度，因此硬度值的測量是橡膠制品一項重要的技術(shù)指標(biāo)。另外，由于膠料存在塑煉、混煉、硫化等不同操作工藝，所以膠料的硬度不同。因此橡膠硬度的測試對判定產(chǎn)品的質(zhì)量，控制生產(chǎn)工藝都具有十分重要的意義。（一）實驗原理邵氏硬度計是用外力把硬度計的壓針以彈簧的壓力壓入試樣表面的深淺來表示其硬度大小。橡膠受壓將產(chǎn)生反抗其壓入的反作用力，直到彈簧的壓力與反作用力相平衡，橡膠越硬反抗壓針壓入的力量越大，使壓針壓入試樣表面深度越淺，而彈簧受

14、壓越大，金屬軸上移越多，故指示的硬度值越大，反之則相反。壓針壓入試樣的深度在平衡時可用下式表示：T2.5-0.025h式中 T-壓針壓入試樣的深度，mm； 2.5壓針行程，mm； 0.025每個小刻度值表示壓入的深度，mm； h硬度值（測試時表盤指示值）。硬度計壓針的行程為2.5mm，刻度盤上有100個格，其刻度值是根據(jù)相似三角形原理和弦等分定理設(shè)計的，彈簧壓力按規(guī)定校核，使每一小格相當(dāng)于壓針壓入試樣0.025mm的深度，表示一個硬度值。（二）實驗儀器及試樣1實驗儀器LX-A型邵氏硬度計。邵氏硬度范圍為0-100。圖4 邵式A型硬度計2試樣（1）試樣厚度不應(yīng)小于6mm，長度不小于35mm，如試

15、樣厚度不夠，可用同樣膠片重疊，但不準(zhǔn)超過四層，并要上下兩面平行。（2）試樣表面應(yīng)光滑、平整、無缺膠現(xiàn)象及機(jī)械損傷，無雜質(zhì)等。（三）實驗步驟1首先在未進(jìn)行測試前，加上定負(fù)荷1kg后，使硬度計壓針壓在玻璃工作臺上，此時指針應(yīng)指在第100個格，否則應(yīng)予調(diào)整。2把橡膠試樣放在硬度計玻璃工作臺上，當(dāng)硬度計加壓面與試樣全接觸后，立即讀出此時的硬度值。、試樣上每個測量點只準(zhǔn)測量一次，每個試樣應(yīng)測量3點。（四） 實驗分析與結(jié)果1硬度計刻度盤上每一小格表示一個硬度值，刻度值大，表示膠料硬度越大，反之相反。2每個試樣測其三點，求其平均值。（五）實驗影響因素分析1試樣厚度 如果試樣過薄，試樣受到壓針壓入產(chǎn)生變形，受

16、壓部分變薄。這樣壓針就會受到承托試樣的玻璃板的影響，使硬度值增大。如果試樣厚度增加，這種影響就會相對減小。因此，試樣不能小于6mm。如下表2所示。表2 試樣厚度對邵氏硬度的影響厚度試樣 3mm6mm12mm1504744238353334642402壓針長度 硬度計壓針的長度，即壓針的行程，規(guī)定在（2.50.00）（2.5-0.05）mm，如果大于25mm測得的硬度值偏高。因行程大，彈簧單位壓力減小，致使硬度計內(nèi)金屬軸移動大，反之則偏低。如下表3所示。表3 壓針長短對硬度的影響壓針不同膠料 104100931474849270717438586883壓針端部的尺寸 壓針端部的尺寸不同，其單位面積上壓力也不同，直徑大，接觸面積大，則壓強(qiáng)小，所測硬度值偏高，反之則偏低，如下表4所示。表4 壓針端部形狀尺寸對硬度值的影響壓針端部形狀尺寸試樣 0.8mm0.85mm0.90mm1474849270717