材料的硬度试验

1、实验2 材料硬度实验一、实验目的1.了解布氏、洛氏、里氏硬度试验原理和应用范围2.掌握布氏、洛氏、里氏硬度试验计的基本构造和操作方法二、实验原理及设备1. 概述硬度始衡量材料软硬程度的一种力学性能，由于硬度试验的设备简单，操作迅速方便，对试样要求低，测试中不会破坏被测试的工件等诸多优点。此外，硬度值与其他力学性能及某些工艺性能（如切削加工性.冷成形性等）都有一定的联系，可以采用硬度试验评估材料的其他力学性能指标。因此，在机械产品的设计中，硬度是一项主要技术指标。此外，在工业生产中，被广泛应用于产品质量的检验。硬度测定简便，造成的表面损伤小，基本上属于“无损”检测的范畴。测定硬度的方法很多，主要

2、有压入法，回跳法和刻划法三大类。刻划法型硬度试验则表征金属抵抗破裂的能力，而压入法型硬度试验则表征金属抵抗变形的能力，所得到的硬度值的大小实质上是表示金属表面抵抗外物压入所引起的塑性变形的抗力大小。目前，在测定硬度的方法中，最常用的是压入硬度法，其中布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度等硬度测试方法应用广泛。2.典型压入法硬度测试原理及硬度计的构造(1)布氏硬度测试原理及硬度计的构造布氏硬度试验方法是将一直径为D的淬火钢球或硬质合金球在规定载荷p作用下压入被测试金属表面，停留一定时间后卸除载荷，在被测试金属表面上形成一个直径d的压痕。计算出压痕单位面积所承受的平均压力，以此作为被测试金属的布

3、氏硬度值。布氏硬度用符号HB表示。其测量原理图见图1 (1)当压头为淬火钢球时，硬度符号为HBS，适用于布氏硬度值低于450的金属材料；当压头为硬质合金球时，硬度符号为HBW，适用于布氏硬度值为450650的金属材料。图1布氏硬度试验原理图布氏硬度的表示方法，压头为淬火钢球，HBS；压头为硬质合金球，HBWHBS或HBW之前的数字表示硬度值，其后的数字依次为压头直径、压力和保持时间。不同材料的硬度不同，试件的厚度不同，测定布氏硬度时需选用不同直径的压头和压力。要在同一材料上测得相同的布氏硬度，或在不同的材料上测得的硬度可以相互比较，压痕的形状必须几何相似，压入角应相等。 因此为了相同材料的不同

4、P和D下得到的布氏硬度测量值HB相同，F/D2应相同。按GB231-84规定，载荷与球体直径平方的比值（F/D2）有30、15、10、5、2.5、1.25和1七种，根据金属材料的种类和布氏硬度值，可按表1选定F/D2。载荷的保持时间：黑色金属为1015s，有色金属为30s，布氏硬度值小于35时为60s。表1 布氏硬度试验的F/D2值的选择（摘自GB231-84）材 料布氏硬度F/D2钢及铸铁<1401401030铜及其合金<3535130>13051030轻金属及合金<353580802.5(或1.25)10(或5、15)10（或15）铅、锡1.25（或1）布氏硬度试验

5、大因压痕面积较大，能反映出较大范围内被测试金属的平均硬度，故试验结果较准确。但压痕较大，不宜测试成品或薄片金属的硬度。测量布氏硬度所用的设备为布氏硬度计，常见的布氏硬度计有液压式和机械式两大类，布氏硬度试验主要设备有布氏硬度计和读数显微镜。图2为机械式布氏硬度计结构示意图。试验时，将试样4放在工作台3上，按顺时针方向转动手轮2，使工作台上升至试样与压头5接触，并在手轮打滑后再开电动机1，经二级蜗轮蜗杆减速器减速后，驱动连杆10与遥杆8向下运动，此时压头在砝码11通过大杠杆9 小杠杆7及压轴6作用下，以一定大小的载荷压入试样。停留一定时间后，电动机自动反转，曲柄连杆带动遥杆上升而卸除载荷。在关闭

6、电动机后，反时针方向转动手轮，使工作台下降并取下试样。最后用读数显微镜测出压痕直径d，如图3所示，根据d的大小查表即可求得布氏硬度值。图2布氏硬度计结构示意图1电动机，2手轮，3工作台，4试样，5压头 ，6压轴7小杠杆，8摇杆，9大杠杆，10连杆，11砝码，12减速器图3 布氏硬度测量压痕直径示意图（2）洛氏硬度测试原理及硬度计的构造洛氏硬度试验方法不同于布氏硬度试验方法，是以压痕深浅表示材料的硬度值。其测试原理见图4。图4 洛氏硬度试验原理图以一个锥顶角为120度的金刚石圆锥体或直径为1.558mm（1/16in）的钢球为压头，00为金刚石压头未受任何载荷时的位置，11为压头受到初始载荷F1

7、的压入深度为h1的位置，此时试样和压头刚好接触。22为施加测试主载荷F2时的压入深度h2为位置，33为卸除主载荷保留初始载荷时的位置，由于试样弹性变形部分的恢复，压头提高了h3。受到主载荷的作用的实际压入深度为h。为符合人的思维，即数值越大越硬，引入一个常数K减去h表示洛氏硬度，规定：k0.2mm时,HRC0；k0,HRC100，压痕深度每增0.002mm, HRC降低1个单位。于是有：HRC(0.2-h)0.002（100-h）0.002洛氏硬度试验时，可用不同压头和不同的主载荷组成不同的洛氏硬度标尺。最常用的是HRA HRB HRC三种其中HRC适用于测量硬度值高于230HBS的较硬金属；

8、HRB适用于测量硬度值低于230HBS的较软金属；HRA适用于测量硬脆的金属材料或浅层表面硬化的金属。洛氏硬度试验操作迅速简便，且压痕较小，可以测定成品或较薄金属的硬度，故目前生产上应用广泛。典型的洛氏硬度计结构如图5所示，洛氏硬度指示器表盘如图6所示图5 洛氏硬度计结构示意图1按钮，2手柄，3手轮，4转盘，5工作台，6试样，7压头，8压轴，9指示器表盘，10杠杆，11砝码，12顶杆，13扇齿，14齿条，15缓冲器洛氏硬度测量时，旋转工作台5手轮3抬升，使试样与压头7接触，继续转动手轮，通过压头和压轴8顶起杠杆10，并带动指示盘9的指针转动，待指示器表盘中小针对准黑点，大针置于垂直向上位置时（

9、左右偏移不超过5格），试样即施加了初载荷。随后转动指示器表盘，使大针对准“0”（测HRB时对准“30”）。接下来旋转转盘4，在砝码11重量的作用下，顶杆12便在缓冲器15的控制下匀缓下降，使主载荷通过杠杆 压轴和压头作用于试样上。停留数秒钟后再扳动手柄2，使转盘顺时针方向转动至原来被锁住的位置。由于转盘上齿轮使扇齿轮13 齿条14同时运转而将顶杆顶起，卸除了主载荷。这时指示器指针所指的读数即为所求的洛氏硬度值（HRC和HRA读外圈黑色的C标尺，HRB读内圈红色的B持标尺）。图6 洛氏硬度计表盘（3）维氏(显微)硬度测试原理维氏硬度测定的原理与方法基本上与布氏硬度的相同，如图7所示。根据单位压痕

10、表面积上所承受的压力来定义硬度值。测定维氏硬度所用的压头为金刚石制成的四方角锥体，两相对面间的夹角为1360，所加的载荷较小。已知载荷P，测得压痕两对角线长度后取平均值d，计算维氏硬度值，单位为kgf/mm2（一般不标注） HV=1.8544P/d2 （2）载荷为5kgf,10kgf，20kgf，30kgf，50kgf和100kgf等6种。图7 维氏硬度测试原理图维氏硬度测试采用了四方角锥体压头，各种载荷作用下所得的压痕几何相似，载荷大小任意选择，所得硬度值均相同，不受布氏法那种载荷P和压头D的规定条件的约束，测量范围较宽，软硬材料都可测。压痕为一轮廓清晰的正方形，对角线长度易于精确测量，故精

11、度较布氏法的高。材料的硬度小于450HV时，维氏硬度值与布氏硬度值大致相同。显微维氏硬度试验实质上就是小载荷的维氏硬度试验，其测试原理和维氏硬度试验相同，仍用HV表示。 测试载荷小，载荷与压痕之间的关系不一定像维氏硬度试验符合几何相似原理，必须注明载荷大小，以便比较。HVS一1000型数显显微侧变计由试验机主体、工作台、升降丝杠、加载系统、软键显示操作面板、高倍率光学测量系统等部分组成,其结构见图8所示。图8 HVS1000型显微硬度计结构图1压头；2.压头螺钉；3后盖；4电源插头；5主体；6显示操作面板；7升降丝杆；810×物镜；9定位弹簧；10.测量照明灯座；11数字式测微目镜；

12、12上盖；13照相接口盖；14试验力变换手轮；15照相、测量转换拉杆；16物镜、压头转换手轮；17转盘；18.40×物镜；19十字试台； 20旋轮21电源指示灯； 22.电源开关 ； 23水平调节螺钉； 24面板式打印机进行显微硬度试验时，先打开电源开关，将标准侧变试块或被测试块安放在试样台上，转动旋轮（20）使试样台上升，眼睛接近测微目镜观察。当试块或试样离物镜下端23mm时，目镜的视场中央出现明亮的光斑，说明聚焦面即将来到，此时应缓慢微量上升，直至在目镜中观察到试块（样）表面的清晰成像。此时聚焦过程完成。如果想在目镜中获得较大的视场，可将物镜、压头转换手柄逆时针转至主体前方，将光

13、学系统的放大倍率调为100×。转换10×和40×物镜时，聚焦面发生变化，可调节升降丝杠。聚焦时建议在40×物镜下进行。在进行测量不规则的试样时，一定要注意不要使压头碰及试样，以免造成压头损坏。按下“START”键，此时加试验力，（LOADING）LED指示灯亮。试验力施加完毕时延时（DWELL）LED亮，LCT屏上T按所选定时间倒计时，延时时间到，试验力卸除，卸力指示（UNLOADING）LED亮。在LED未灭前，不得转动压头测量转换手柄，否则会影响压痕测量精度，甚至损坏仪器。将转换手柄顺时针转动，使40物镜处于主体前方，这时可在目镜中测量压痕对角线长度

14、。在测量前，先将测微镜右边的鼓轮顺时针旋转，使目镜内的两刻线边缘相近移动。当两刻线边缘相近时，透光缝隙逐渐减少，当两刻线间处于无光隙的临界状态时，按下“CL"键清零。11先转动左侧鼓轮，使左边刻线对准压痕一角，在转动右侧鼓轮，两刻线分离，使右侧刻线对准压痕另一角。当刻线对准压痕对角线无误时，按下测微目镜下方的按钮输入，并在显示屏的D1后显示。动右侧鼓轮转动时，LCD屏上D1后的数字闪烁，表示结果还未输入，当结果输入后，光标转入D2。按上述方法在测试另一对角线的长度，此时，LCD屏HV值就同时显示。在进行维氏硬度测量时，为了减少误差，应在两条垂直的对角线上测量，取其算术平均值。三、硬度

15、测量试验1 布氏硬度试验布氏硬度试验选择的材料为退火状态的20钢和40钢，试验的流程如下：（1）试样表面清理。被测表面应是无氧化皮及外来污物的光洁表面，以保证能准确测量压痕直径。（2）根据试样材料及厚度，按布氏硬度试验规范选择钢球压头的直径、载荷大小及载荷保持时间。（3）把试样稳固地放在硬度计工作台上，按布氏硬度计的操作顺序进行表面留下一个压痕。试验时，应使载荷均匀平稳地垂直施加于试样的测试表面，不得有冲击或震动。（4）移动试样后重做一次试验，使试样表面又留下一个压痕。为了使实验结果精确，相邻两压痕的中心距离；应不小于压痕直径的4倍；压痕中心距试样边缘的距离不小于压痕直径的2.5倍；压痕直径d

16、的大小应在0.24D0.6D范围内；压痕深度应小于试样厚度的1/10。（5）自工作台上取下试样，用读数显微镜在相互垂直方向上测量压衡直径，然后计算其平均值并作好记录。（6）根据压痕直径d，查对照表求得各试样的布氏硬度值。2.洛氏硬度试验选择淬火后的40钢、T8钢、20钢进行洛氏硬度试验，试验流程如下：（1）试样表面清理。被测试样的位表面部位应平整，无油脂、氧化皮、裂纹、凹坑、显著的加工痕迹等。（2）根据试样材料选择压头及载荷。根据试样形状选择合适的工作台。工作台表面、试样的支承面和压头表面均应清洁。（3）把试样稳固地放在硬度计工作台上，按洛氏硬度计的操作顺序进行试验。试验中必须保证载荷平稳地垂

17、直施加于试样的测试表面，不得有冲击或震动。然后有指示器上读得硬度值并作好记录。（4）移动试样，并在另一位置继续进行试验，两相邻压痕中心距离或任一压痕中心距试样边缘距离一般不得小于3mm。每个试样至少测三点，计算后两次试验得出硬度值的平均值，并作好记录。3显微维氏硬度试验 本次试验测量表面渗碳淬火后的20钢渗碳层的硬度分布。试验过程如下：(1)试样准备：用切割工具切割试样，使试样上下表面平整、平行，然后采用金相砂纸磨削试样上表面使之光滑平整，并进行浸蚀，在显微镜下能够观察到试样的显微组织。 (2)根据显微硬度计 操作归程的要求，设定显微硬度试验的各项参数。(3)将试样置于工作台上，按照HVS1000显微硬度测试步骤，测定试样表层的显微硬度值，并作相应记录。试验中，要求测试显微硬度的方向垂直于试样表面，每隔0.05mm测定一个显微硬度。(4)考虑到显微硬度的误差等因素，重复上述试验过程两次。将三次测量的显微硬度值记录整理，绘出试样表层的显微硬度分布图。四、完成试验报告将测得的