實(shí)驗(yàn)講義八材料的硬度試驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)八 材料的硬度試驗(yàn)一、金屬的硬度試驗(yàn)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(duì)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(yàn)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(yàn)的主要特點(diǎn)是：1試驗(yàn)時(shí)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(duì)材料的耐磨性、疲勞強(qiáng)度等性能也有定性的參考價(jià)值，通常硬度值高，這些性能也較好。在機(jī)械零件設(shè)計(jì)圖紙上對(duì)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(yàn)。5設(shè)備簡單，操作迅速方便。（一）實(shí)驗(yàn)?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(jì)的主要結(jié)構(gòu)及掌握操作方法；3. 了解布氏硬度計(jì)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(yàn)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(yàn)原理如圖1所示。圖1 洛氏硬度試驗(yàn)原理圖 洛氏硬度試驗(yàn)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(shí)，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(shí)的壓頭位置，1-1位置為加上10kgf預(yù)加載荷后的位置，此時(shí)壓入深度為h1,2-2位置為加上主載荷后的位置，此時(shí)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(shí)壓頭的實(shí)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(huì)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(gè)硬度單位（即刻度盤上一小格）。表1 洛氏硬度的試驗(yàn)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(shí)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(jì)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(shí)K=0.2(用于HRA、HRC)，采用鋼球時(shí)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(shí)力的作用線，必須垂直于

7、試樣表面。3洛氏硬度計(jì)的結(jié)構(gòu)和操作（1）H-100型杠桿式洛氏硬度計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其主要部分及作用如下：1-支點(diǎn)； 2-指示器； 3-壓頭； 4-試樣； 5-試樣臺(tái)； 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(jì)的結(jié)構(gòu)圖機(jī)體及工作臺(tái)：試驗(yàn)機(jī)有堅(jiān)固的鑄鐵機(jī)體，在機(jī)體前面安裝有不同形狀的工作臺(tái)，通過手輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，借助螺旋的上下移動(dòng)而使工作臺(tái)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(dòng)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(yàn)機(jī)。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，使試樣于壓頭緩慢接觸，直至表盤小指針指到“0”為止，此時(shí)即已預(yù)加載荷10kgf。然后將表盤大指針調(diào)整至零點(diǎn)。此時(shí)壓頭位置即為圖1中的11位置。按動(dòng)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(shí)，持續(xù)34秒（此時(shí)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(shí)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(yàn)的基本原理本硬度計(jì)試驗(yàn)法是以一定直徑的鋼珠，在施以瞬時(shí)的沖擊試驗(yàn)力后，使鋼珠陷于被試驗(yàn)件于標(biāo)準(zhǔn)硬度試塊中，從而獲得壓痕，通過對(duì)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(jì)測定的試件的硬度必須低于硬度計(jì)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(shí)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(jì)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(jì)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(yàn)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(shí)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(shí)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(yàn)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(shí)驗(yàn)方法指導(dǎo)1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1）H-150洛氏硬度計(jì)及HB-2型錘擊式硬度計(jì)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(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料（1）H-150型洛氏硬度計(jì)；（2）HB-2型錘擊式布氏硬度計(jì)；（3）讀數(shù)放大鏡；（4）45鋼、T12鋼、鑄鐵、銅合金等。3注意事項(xiàng)（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(tái)上操作，以

12、防試樣滾動(dòng)。（3）加載時(shí)應(yīng)細(xì)心操作，以免損壞壓頭。（4）加預(yù)載荷（10kgf）時(shí)若發(fā)現(xiàn)阻力太大，應(yīng)停止加載，立即報(bào)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(shí)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(yàn)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(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?實(shí)驗(yàn)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(huì)。二、橡膠的硬度試驗(yàn)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(xiàng)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(duì)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(shí)驗(yàn)原理邵氏硬度計(jì)是用外力把硬度計(jì)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(shí)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(gè)小刻度值表示壓入的深度，mm； h硬度值（測試時(shí)表盤指示值）。硬度計(jì)壓針的行程為2.5mm，刻度盤上有100個(gè)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(jì)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(gè)硬度值。（二）實(shí)驗(yàn)儀器及試樣1實(shí)驗(yàn)儀器LX-A型邵氏硬度計(jì)。邵氏硬度范圍為0-100。圖4 邵式A型硬度計(jì)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(shí)驗(yàn)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(jì)壓針壓在玻璃工作臺(tái)上，此時(shí)指針應(yīng)指在第100個(gè)格，否則應(yīng)予調(diào)整。2把橡膠試樣放在硬度計(jì)玻璃工作臺(tái)上，當(dāng)硬度計(jì)加壓面與試樣全接觸后，立即讀出此時(shí)的硬度值。、試樣上每個(gè)測量點(diǎn)只準(zhǔn)測量一次，每個(gè)試樣應(yīng)測量3點(diǎn)。（四） 實(shí)驗(yàn)分析與結(jié)果1硬度計(jì)刻度盤上每一小格表示一個(gè)硬度值，刻度值大，表示膠料硬度越大，反之相反。2每個(gè)試樣測其三點(diǎn)，求其平均值。（五）實(shí)驗(yàn)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(huì)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(huì)相對(duì)減小。因此，試樣不能小于6mm。如下表2所示。表2 試樣厚度對(duì)邵氏硬度的影響厚度試樣 3mm6mm12mm1504744238353334642402壓針長度 硬度計(jì)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(jì)內(nèi)金屬軸移動(dòng)大，反之則偏低。如下表3所示。表3 壓針長短對(duì)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(duì)硬度值的影響壓針端部形狀尺寸試樣 0.8mm0.85mm0.90mm1474849270717