金屬材料硬試驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)一 金屬材料的硬度實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解布氏、洛氏硬度測(cè)定的基本原理及應(yīng)用范圍。2.了解布氏、洛氏硬度試驗(yàn)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)及硬度數(shù)據(jù)的測(cè)試方法。二、實(shí)驗(yàn)原理金屬的硬度可以認(rèn)為是金屬材料局部表面在接觸壓力的任用下抵抗塑性變形的一種能力。硬度值是材料性能的一個(gè)重要指標(biāo)。試驗(yàn)方法簡(jiǎn)單、迅速，不需要專門的試樣，同時(shí)保持試樣的完整性，設(shè)備也比較簡(jiǎn)單。而且對(duì)大多數(shù)金屬材料，可以硬度值估算出它的抗拉強(qiáng)度。因此在設(shè)計(jì)圖紙的技術(shù)條件中大多規(guī)定材料的硬度值。檢驗(yàn)材料或工藝是否合格有時(shí)也需用硬度。所以硬度試驗(yàn)在生產(chǎn)中廣泛使用。硬度測(cè)試方法很多，使用最廣泛的是壓入法。壓入法就是一個(gè)很硬的壓頭以一定的壓力壓入試樣的表

2、面，使金屬產(chǎn)生壓痕，然后根據(jù)壓痕的大小來確定硬度值。壓痕越大，則材料越軟；反之，則材料越硬。根據(jù)壓頭類型和幾何尺寸等條件的不同，常用的硬度測(cè)試方法可分為布氏法、洛氏法和維氏法三種。三、布氏硬度（HB）布氏硬度用符號(hào)HB表示。這種試驗(yàn)方法是把規(guī)定直徑（10mm、5mm、2.5mm）的硬質(zhì)合金球以一定的試驗(yàn)力壓入所測(cè)材料的表面（如圖1-1所示），保持規(guī)定時(shí)間后，測(cè)量表面壓痕直徑（如圖1-2所示），然后按下式計(jì)算硬度：式中HBW-表示用硬質(zhì)合金球測(cè)試時(shí)的布氏硬度值；P-載荷（kgf）；（1kgf9.8N）D-壓頭鋼球直徑（mm）；d-壓痕平均直徑（mm）；F-壓痕面積（mm2）；式中只有d是變數(shù)，故

3、只需要測(cè)出壓痕直徑d，根據(jù)已知D和P值就可以計(jì)算出HB值。布氏硬度習(xí)慣上不標(biāo)出單位。生產(chǎn)中已專門制定了平面布氏硬度值計(jì)算表見附錄一，用讀數(shù)顯微鏡測(cè)出壓痕直徑后，直接查表就可獲得HB硬度值。圖1-1 布氏硬度測(cè)量示意圖圖1-2 用讀數(shù)顯微鏡測(cè)量壓痕直徑由于金屬材料有軟有硬，工件有厚有薄，有大有小，如果只采用同一種載荷和鋼球直徑時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)對(duì)硬的材料合適，而對(duì)軟的材料可能發(fā)生鋼球陷入金屬內(nèi)部的現(xiàn)象；若對(duì)厚的材料合適，而對(duì)薄的材料又可能會(huì)出現(xiàn)壓透的現(xiàn)象。因此為了得到統(tǒng)一的，可以相互比較的值，必須使P和D之間維持某一比值關(guān)系。這樣對(duì)同一種材料而言，不論采用何種大小的載荷和鋼球直徑，只要能滿足常數(shù)，所得

4、的HB值是同樣的；則對(duì)不同的材料來說，所得的HB值也是可以進(jìn)行比較的。按照GB23163規(guī)定，比值有30、10和2.5三種。具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)的選擇和使用范圍可參考表1-1由于硬度和強(qiáng)度都以不同形式反映了材料在外力作用下抵抗塑性變形的能力，因而硬度和強(qiáng)度之間有一定的關(guān)系，其經(jīng)驗(yàn)換算公式為：低碳鋼 高碳鋼 調(diào)質(zhì)合金鋼 鋁鑄件 退火青銅和黃銅 鋅合金 表1-1 布氏硬度試驗(yàn)規(guī)范材料HBS范圍試樣厚度（mm）鋼球直徑D（mm）載荷P（kgf）載何保持（S）黑色金屬（如鋼的退火、正火、調(diào)質(zhì)狀態(tài)1404506633301052.53000 750 187.510黑色金屬1406633101052.51000

5、250 62.510有色金屬及合金（如銅、黃銅、青銅、鎂合金）361306633101052.51000 250 62.530鋁合金及軸承合金83566332.51052.51000 650 15.660硬度和強(qiáng)度對(duì)照表可查本書附錄一。由于布氏硬度計(jì)算出的抗拉強(qiáng)度只是近似值，必然與實(shí)際抗拉強(qiáng)度有差別。布氏硬度測(cè)試法的優(yōu)點(diǎn)是：壓痕面積較大，因而受試樣中成份偏析和組織偏析的影響較小，能夠較精確地反映試樣的硬度。其缺點(diǎn)是：需要經(jīng)常更換壓頭與載何，測(cè)量較麻煩，不適宜測(cè)定成品件和較薄的材料。布氏硬度試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)和操作：布氏硬度試驗(yàn)機(jī)的外形結(jié)構(gòu)如圖1-3所示，其操作方法如下：圖1-3 HB-3000布氏硬

6、度試驗(yàn)機(jī)外形結(jié)構(gòu)圖1. 按表（1-1）選用適當(dāng)?shù)膲侯^，負(fù)荷及保荷時(shí)間。擰松壓緊鏍釘，把時(shí)間定位器（紅色指示點(diǎn)）轉(zhuǎn)到與持續(xù)時(shí)間相符的位置上。2. 將試樣放在工作臺(tái)上，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)手輪使壓頭和試樣緩慢接觸，直到手輪與鏍母產(chǎn)生相對(duì)打滑為止。3. 打開電源開關(guān)，綠燈亮。4. 按動(dòng)加載按鈕，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，載荷砝碼經(jīng)一系列的杠桿系統(tǒng)傳遞到壓頭，即開始加載荷。此時(shí)因壓緊鏍釘已擰松，園盤并不轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)紅色指示燈亮?xí)r，迅速擰緊壓緊鏍釘。達(dá)到所要求的持續(xù)時(shí)間后，即自動(dòng)卸荷。從啟動(dòng)按鈕形狀到紅燈亮為加荷階段；紅燈亮到紅燈滅為保荷階段；紅燈滅到電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)為卸荷階段。5. 逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)手輪降下工作臺(tái)，取下試樣用讀數(shù)顯微鏡測(cè)

7、出壓痕直徑d值，以此值查表附錄（一）即得HB值。布氏硬度值測(cè)定注意事項(xiàng)： 試樣表面必須光潔平整，以使壓痕邊緣清晰，保證精確測(cè)量壓痕d。 操作時(shí)動(dòng)作要穩(wěn)、緩、輕。 壓痕距試樣邊緣應(yīng)大于D，兩壓痕間距也應(yīng)大于D。 當(dāng)選用不同的時(shí)，布氏硬度值之間不能進(jìn)行直接對(duì)比。 用讀數(shù)顯微鏡測(cè)量壓痕直徑d時(shí)，應(yīng)從互相垂直的兩個(gè)方向上進(jìn)行，取其平均值。四、洛氏硬度（HR）洛氏硬度實(shí)驗(yàn)法是采用金鋼石園錐體或淬火鋼球壓入金屬表面，如圖1-4a所示。對(duì)硬材料如淬火后的鋼件，用金鋼石壓頭；對(duì)較軟的金屬則用淬火鋼球。通常有60、100和150kgf三種載荷，而且為了減少因零件表面不光滑而造成的誤差，需首先加10kgf的初始載

8、荷。洛氏硬度的測(cè)試原理如圖14b.所示。根據(jù)所用壓頭種類和所加載荷的不同，洛氏硬度分為HRA、HRB、HRC等，表1-2所列為洛氏硬度試驗(yàn)規(guī)范。圖1-4 洛氏硬度測(cè)試法原理圖1加初始試驗(yàn)力10kg2加主試驗(yàn)力后3卸除主試驗(yàn)力后如果直接用壓痕深度的大小來作計(jì)量硬度值的指標(biāo)，勢(shì)必造成越硬的材料洛氏硬度值越小，而越軟的材料的洛氏硬度值越大，不符合人們的習(xí)慣。為了與習(xí)慣上數(shù)值越大硬度越高的概念相一致，將測(cè)試結(jié)果作以下處理：式中：HR為洛氏硬度代號(hào)；K為常數(shù)，當(dāng)采用金鋼石壓頭時(shí)K100，用1.588mm淬火鋼球壓頭時(shí)K130；規(guī)定每0.002mm壓痕深度為1洛氏硬度單位。表1-2 常用三種洛氏硬度試驗(yàn)規(guī)

9、范符號(hào)壓頭總載荷kgf(N)硬度值有效范圍使用范圍HRA金鋼石園錐120°60（588.4）2088HRA適用于測(cè)量硬質(zhì)合金表面淬火或滲碳層HRB1.588mm（1/16）淬火鋼球100（980.1）20100HRB適用于測(cè)量有色金屬、退火、正火鋼等HRC金鋼石園錐120°150（1471.1）2070HRC適用于測(cè)量調(diào)質(zhì)鋼淬火鋼等洛氏硬度的數(shù)值可直接從硬度計(jì)上讀出，不需換算和查表，非常方便。讀出來的數(shù)值，沒有單位，習(xí)慣上常稱“度”。洛氏硬度的不同硬度標(biāo)尺之間，洛氏硬度與布氏硬度之間，以及與其它硬度之間，沒有理論上的相應(yīng)關(guān)系，不能直接比較。要比較時(shí)需查硬度值對(duì)照表附錄（二）

10、，即壓痕直徑與布氏硬度值及相應(yīng)洛氏硬度值對(duì)照表。洛氏硬度測(cè)試方法簡(jiǎn)單迅速，可測(cè)量最軟至最硬的材料。由于壓痕小，故可測(cè)量成品及較薄另件的硬度。但也由于壓痕小，對(duì)組織和硬度不均勻的材料，測(cè)試結(jié)果不準(zhǔn)確。通常應(yīng)從試件不同的位置測(cè)三點(diǎn)，再取其平均值。實(shí)驗(yàn)選用TH30與HR150型洛氏硬度計(jì)。1. TH300洛氏硬度計(jì)的結(jié)構(gòu)和操作圖1-5 TH300洛氏硬度計(jì)其結(jié)構(gòu)示意圖見（圖1-6），操作鍵盤如（圖1-7）所示。1上蓋2壓頭座3壓頭4樣品臺(tái)5絲杠護(hù)套6手輪7絲杠8底腳螺釘9側(cè)門10開關(guān)、電源板11顯示屏12鍵盤13試驗(yàn)力轉(zhuǎn)換手柄圖16 TH300洛氏硬度計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖LANG 菜單語言選擇+/- 上下限

11、設(shè)置 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)HR 標(biāo)尺轉(zhuǎn)換 曲面修正MENU 主菜單. 滾動(dòng)方向ENTER 確認(rèn)圖1-7 TH300洛氏硬度計(jì)操作鍵盤圖TH300洛氏硬度計(jì)操作方法如下： 加載初試驗(yàn)力將被測(cè)試樣旋轉(zhuǎn)在樣品臺(tái)中央，順時(shí)針平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，使樣品臺(tái)上升，試樣與壓頭接觸。此時(shí)屏幕上出現(xiàn)壓頭運(yùn)動(dòng)過程示意圖，見（圖18），最后一個(gè)表示加載初試驗(yàn)力終止位置。平緩轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，直到圖中所示壓頭到達(dá)終止位置，屏幕上出現(xiàn)“正在測(cè)量”，同時(shí)伴有蜂鳴報(bào)警，此時(shí)應(yīng)立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)手輪。如果手輪轉(zhuǎn)動(dòng)有少量過量，不影響測(cè)量結(jié)果及精度；如果轉(zhuǎn)動(dòng)過量較大，試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)報(bào)警，并提示，見（圖19），此時(shí)應(yīng)重新開始。圖1-8 試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)報(bào)警圖1-9 手輪轉(zhuǎn)動(dòng)

12、過量提示 自動(dòng)測(cè)試初試驗(yàn)力加載完成后，測(cè)試自動(dòng)進(jìn)行。完成主試驗(yàn)力加載-保持-卸載-讀數(shù)-數(shù)據(jù)處理-結(jié)果顯示過程，測(cè)試結(jié)果見（圖110）。52.6HRC圖1-10 測(cè)試結(jié)果顯示 卸載逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，樣品臺(tái)下降，全部試驗(yàn)力卸除；所有試驗(yàn)參數(shù)自動(dòng)記憶，等待下次測(cè)試。2. HR150洛氏硬度計(jì)的結(jié)構(gòu)和操作洛氏硬度計(jì)的結(jié)構(gòu)（如圖111）所示，其操作方法如下： 根據(jù)試樣的硬度值范圍，按表1-2選擇適當(dāng)?shù)膲侯^和載荷。 將符合要求的試樣放置在試樣臺(tái)上，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，使試樣與壓頭緩慢接觸。直至小指針指向小紅點(diǎn)為止。此時(shí)即已予加載荷10kg，然后調(diào)整指示器大指針對(duì)正零點(diǎn)。 輕輕向前推動(dòng)手柄，施加主載荷，大指針按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，待轉(zhuǎn)動(dòng)停止后，再將手柄板回卸去主載荷，大指針又順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，自動(dòng)停止后，大指針?biāo)副肀P上的數(shù)據(jù)即為該材料的洛氏硬度值。 逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，降下載物臺(tái)，取出試樣。圖111 HR150型洛氏硬度試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)圖洛氏硬度值測(cè)定注意事項(xiàng)： 試件兩端要平行，不得帶有油污，氧化皮和顯著加工痕跡等。 壓痕中心距邊緣或兩壓痕間距為：HRA、HRC測(cè)定時(shí)不小于2.5mm，HRB測(cè)定時(shí)不小于4mm。 試樣厚度不應(yīng)小于壓入深度的10倍。金屬材料的硬度