工程材料：金属材料硬度测定

1、长安大学材料学院一、实验目的一、实验目的 1了解不同种类硬度测定的基本原理及常用硬度试验法的应用范围。 2学会使用布氏、洛氏、维氏硬度计并掌握相应硬度的测试方法。 二、实验原理二、实验原理金属的硬度可以认为是金属材料表面在接触应力作用下抵抗塑性变形的一种能力。 常用的硬度试验方法有： 布氏硬度试验主要用于黑色、有色金属原材料检验，也可用于退火、正火钢铁零件的硬度测定。 洛氏硬度试验主要用于金属材料热处理后的产品硬度检验。 维氏硬度试验主要用于薄板材或金属表层的硬度测定以及较精确的硬度测定。 显微硬度试验主要用于测定金属材料的显微组织组分或相组分的硬度。1布氏硬度 布氏硬度试验是施加一定大小的载

2、荷P，将直径为D的钢球压入被测金属表面(如图1所示)保持一定时间，然后卸除载荷，根据钢球在金属表面上所压出的凹痕面积F凹求出平均应力值，以此作为硬度值的计量指标，并用符号HB表示。 其计算公式如下： HB=P/F凹 1 式中： HB布氏硬度；P施加外力，N；F凹压痕面积，mm2。 根据压痕面积和球面之比等于压痕深度h和钢球直径之比的几何关系，可知压痕部分的球面面积为： F凹=Dh 2 式中 D钢球直径，mm；h压痕深度，mm。 由于测量压痕直径d要比测定压痕深度h容易，故可将式2中的h改换成d来表示，这样可以根据几何关系求出2222 1/2(/2)(/2)( /2) ()/2DhDdhDDd3

3、 将式(2)和式(3)代入式(1)即得：当试验力是P的单位是N时： 式中的d是变数，故只需测出压痕直径d，根据已知D和P值就可以计算出HB值。在实际测量时，可由压痕直径d直接查表得到HB值。222()PPHBFD DDd4 220.1020.204()PPHBFD DDd5 由于金属材料有硬有软，所测工件有厚有薄，若只采用同一种载荷(如29400N)和同一个钢球直径(如D=10mm)时，则对有些试样合适，而对另一些试样可能不合适，会发生整个钢球陷入金属中的现象；若对于厚的试样合适，则对于薄的试样可能会出现压透的可能。所以在测定不同的材料布氏硬度值时要求有不同载荷P和不同直径D的钢球。为了得到统

4、一的可以进行相互比较的数值，必须使D和P之间维持某一比值关系，以保证所得到的压痕形状的几何相似关系，其必要条件就是使压入角保 持不变。根据相似原理，由图1中可知d和的关系是：sinsin2222DddD 以此代入式4得： 式6说明，当值为常数时，为使HB相同，P/D2也应保持为一定值。因此对同一材料而言，不论采用何种大小的载荷和钢球直径，只要能满足P/D2=常数，所得到的HB值是一样的。对不同的材料来说，得到的HB值也可以进行比较。按照国标的规定，P/D2比值有30、10和2.5三种，具体布氏硬度试验规范和适用范围可以参考表1。 22211 sin2PHBD62洛氏硬度 洛氏硬度试验常用的压头

5、为圆锥角=120、顶部曲率半径为0.2mm的金刚石圆锥体或直径D=1.588mm的淬火钢球。试验时(图2)，先对试样施加初试验力F0，在金属表面得一压痕深度h0，以此作为测量压痕深度的基线。随后再加上主试验力F1，此时压痕深度的增量为h1。金属在F1作用下产生的总变形h1中包括弹性变形和塑性变形。当将F1卸除后，总变形中的弹性变形恢复，使压头回升一段距离。于是得到金属在F0作用下的残余压痕深度h(将此压痕深度h表示成e，其值以0.002mm为单位表示)，e值愈大表明金属洛氏硬度愈低；反之，则表示硬度愈高。 为了照顾习惯上数值愈大硬度愈高的概念，故用一个常数k减去e来表示洛氏硬度值，并以符号HR

6、表示，即： HR=k-e 7 当使用金刚石圆锥体压头时，常数k定为100；当使用淬火钢球压头时，常数k定为130。 实际测定洛氏硬度时，由于在硬度计的压头上方装有百分表，可直接测出压痕深度，并按式7换算出相应的硬度值。因此，在试验过程中金属的洛氏硬度值可直接读出。 为了测定软硬不同的金属材料的硬度，在洛氏硬度计上可选配不同的压头与试验力，组合成几种不同的洛氏硬度标尺。每一种标尺用一个字母在HR后注明。我国最常用的标尺有A、B、C三种，其硬度值的符号分别用HRA、HRB、HRC表示。洛氏硬度试验规范和适用范围见表2。 3维氏硬度 维氏硬度的试验原理与布氏硬度相同，也是根据压痕单位面积所承受的试验

7、力来表示维氏硬度值。所不同的是维氏硬度用的压头不是球体而是两对面夹角=136的金刚石四棱锥体。压头在试验力F(单位是kgf或N)作用下，将试样表面压一个四棱锥形压痕，经规定时间保持载荷之后，卸除试验力，由读数显微镜测出压痕对角线平均长度d 122ddd8 式中d1和 d2分别是两个不同方向的对角线长度，用以计算压痕的表面积。所以维氏硬度值(HV)就是试验力P除以压痕表面积F所得的商。当试验力P为kgf(9.8N)时计算公式如下： 当试验力P为N时计算公式如下： 222sin(136 /2)1.8544PPPHVVdd9 220.1020.204 sin(136 /2)1.891PPPHVFdd

8、10 与布氏硬度一样，维氏硬度值也不标注单位。维氏硬度值的表示方法是：在HV前书写硬度值，HV后按顺序用数字表示试验条件(试验力/试验力保持时间，保持时间为10-15s者不标)。例如640HV30/20表示用30kgf(294N)试验力保持20s测定的维氏硬度值为640。如果试验力为1kgf(9.8N)，试验加载保持时间10-15s，测得的硬度值为560，则可表示为560HV1。 维氏硬度试验的试验力为5(49)-100(980)kgf(N)，小负荷维氏硬度试验的试验力为0.2(1.96)-5(49)kgf(N)，可根据试样材料的硬度范围和厚度来选择。其选择原则应保证试验后压痕深度h小于试样厚

9、度(或表面层厚度)的1/10。 在一般情况下，建议选用试验力30kgf(294N)。当被测金属试样组织较粗大时，也可选用较大试验力。但当材料硬度500HV时，不宜选用大试验力，以免损坏压头。试样力的保持时间，黑色金属10-15s，有色金属302s。 4显微硬度 金属显微硬度试验原理与宏观维氏硬度试验法完全相同。只不过所用试验力比小负荷维氏硬度试验力试验时还要小，通常在0.01-0.2kgf(0.098-1.96N)范围内。所得压痕对角线也只有几微米至几十微米。因此，显微硬度是研究金属微观组织性能的重要手段。常用于测定合金中不同的相、表面硬化层、化学热处理渗层、镀层及金属箔等的显微硬度。 金属显

10、微硬度的符号、硬度值的计算公式和表示方法与宏观维氏硬度试验法完全相同。金属显微硬度试验的试验力，分为0.01(9.810-2)、0.02(0.196)、0.05(0.49)、0.1(0.98)及0.2(1.96) kgf(N)等五级，尽可能选用较大的试验力进行试验。三、实验设备及材料三、实验设备及材料 1硬度计：布氏、洛氏、维氏及显微硬度计。 2读数显微镜：最小分度值为0.01mm。 3标准硬度块：不同硬度试验方法的标准硬度 块。 4. 材料：20、45、T8、T12钢退火态、正火态、 淬火态及回火态试样，2024、7075、6063退火 态及时效态试样，尺寸为2010mm。四、实验步骤与方法

11、四、实验步骤与方法 1了解各种硬度计的构造、原理、使用方法、 操作规程和安全注意事项。 2对各种试样选择合适的试验方法和仪器，确 定实验条件。根据实验和试样条件选择压 头、载荷(砝码)。 3用标准硬度块校验硬度计。校验的硬度值不 应超过标准硬度块硬度值的3%(布氏)或 (1%-1.5%)(洛氏)。 4试样支撑面、工作台和压头表面应清洁。试 样平稳地放在工作台上，保证试验加载过程 中不发生移动和翘曲，试验力平稳地加在试 样上，不得造成冲击和震动，施力方向与试 样表面垂直。保持载荷规定的时间(对布氏、 维氏硬度，卸去载荷后用读数显微镜测量压 痕尺寸，计算或查表)，卸去载荷准确地记录 试验数据。五、

12、实验注意事项五、实验注意事项 1试样两端要平行，表面应平整，若有油污或 氧化皮，可用砂纸打磨，以免影响测量。 2圆柱形试样应放在带有“V”形槽的工作台上操 作，以防试样滚动。 3加载时应细心操作，以免损坏压头。 4测完硬度值，卸掉载荷后，必须使压头完全 离开试样后再取下试样。 5金刚石压头系贵重物件，质硬而脆，使用时 要小心谨慎，严禁与试样或其他物件碰撞。 6应根据硬度试验机的使用范围，按规定合理 选用不同的载荷和压头，超过使用范围，将不 能获得准确的硬度值。六、实验报告要求六、实验报告要求 1简述布氏硬度和洛氏硬度的试验原理、优缺 点及应用。 2设计实验表格，将试验数据填入表内，对结 果进行

13、分析并进行必要的硬度值换算。 3分析用布氏硬度试验方法能否直接测量成品 或较薄的工件。图1 布氏硬度的实验原理图2 洛氏硬度的试验原理 表1 布氏硬度试验规范材 料硬度范围HB试样厚度/mmP/D2钢球直径/mm载 荷P/N载何保持时间/s黑色金属140-4501406-34-266-366-366-332.51052.52450612.5152.8860表2 各种洛氏硬度值的符号、试验条件和应用标 尺压头类型初始试验力/kgf(N)主试验力/kgf(N)硬度值测量范围应用实例HRA120金刚石圆锥体10(98)50(490)65-85高硬度的薄件、表面处理钢件、硬质合金等HRC140(1372)20-67硬度大于100HRB的淬火及回火钢、钛合金等HRB1.588mm淬火钢球90(882)25-100铜合金、铝合金、退火钢材、可锻铸铁等HRD120金刚石圆锥体90(882)40