金屬材料硬度測試實(shí)驗(yàn)

1、。實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱：材料性能研究技術(shù)成績：實(shí)驗(yàn)名稱：金屬材料硬度測試實(shí)驗(yàn)批閱人：實(shí)驗(yàn)時間：實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)： x5406報(bào)告完成時間： 2姓 名：學(xué)號：班級：同組實(shí)驗(yàn)者：指導(dǎo)教師：一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 了解不同類型硬度測試的基本原理。2. 了解不同類型硬度測試設(shè)備的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍。3. 掌握各類硬度計(jì)的操作方法。二、實(shí)驗(yàn)原理金屬的硬度可以認(rèn)為是金屬材料表面在壓應(yīng)力作用下抵抗塑性變形的一種能力。硬度測試能夠給出金屬材料軟硬度的定量概念， 即：硬度示值是表示材料軟硬程度的數(shù)量指標(biāo)。 由于在金屬表面以下不同深度處材料所承受的應(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、微量應(yīng)

2、變抗力、應(yīng)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的能力越大， 材料產(chǎn)生塑性變形就越困難。 硬度的大小對于機(jī)械零件或工具的使用壽命具有重要的影響。硬度測試方法有很多， 大體可以分為彈性回跳法 （如肖氏硬度）、壓入法（如布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度）和劃痕法（如莫氏硬度）等三類。硬度是表征金屬材料軟硬程度的一種性能， 其物理意義隨著試驗(yàn)方法的不同而表示不同的意義。 其中彈性回跳法主要表征金屬彈性變形功的能力； 壓入法主要表征金屬塑性變形抗力及應(yīng)變硬化能力；而劃痕法主要表征金屬切斷能力。下面介紹三種最常用的硬度測試方法：1、布氏硬度（ 1）布氏硬度試驗(yàn)原理用一定直徑 D（mm）

3、的硬質(zhì)合金球作為壓頭，用一定的試驗(yàn)力 F（N），將其壓入試樣表面，經(jīng)過規(guī)定的保持時間 t （s）之后卸載試驗(yàn)力，觀察試樣表面，會發(fā)現(xiàn)有殘留壓痕（如圖 1）。測殘留壓痕的平均直徑 d（mm），然后求出壓痕球形面積 A（mm2）。布氏硬度值（ HBW）就是試驗(yàn)力 F 除以壓痕表面積 A 所得的商， F 以 N作為單位時，其計(jì)算公式為0.102F0.204FHBWAD (DD 2 d 2 )。1。注：布氏硬度值不標(biāo)出單位布氏硬度試驗(yàn)用的壓頭球直徑有10mm、 5mm、2.5mm和 1mm四種，主要根據(jù)試驗(yàn)厚度選擇，選擇要求是使壓痕深度h 小于試樣厚度的1/8。當(dāng)試樣厚度足夠時，應(yīng)盡量選用10mm的壓

4、頭球。（ 2）布氏硬度的特點(diǎn)布氏硬度試驗(yàn)時一般采用直徑較大的壓頭球，所以它所得的壓痕面積會比較大。壓痕面積大的一個優(yōu)點(diǎn)就是它的硬度值能反映金屬在較大范圍內(nèi)各組成相的平均性能， 而不會受到個別的組成相和微小相的影響， 所以說，布氏硬度試驗(yàn)主要用于測定灰口鑄鐵，軸承合金等具有粗大晶?；蚪M成相的金屬材料的硬度；壓痕較大的另外一個優(yōu)點(diǎn)就是實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性強(qiáng)。但是壓痕面積較大的缺點(diǎn)就是不能再成品上進(jìn)行試驗(yàn)，布氏硬度的另外一個缺點(diǎn)就是對于不同的材料需要更換不同直徑的壓頭球并且需要改變試驗(yàn)力， 壓痕直徑的測量也會比較麻煩，所以一般不用于自動檢測。（ 3）布氏硬度的表示方法布氏硬度值與試驗(yàn)規(guī)范有關(guān)， 所

5、以它的表示方法能反映規(guī)范的內(nèi)容， 布氏硬度的表示方法有：硬度值；符號 HBW；球直徑；試驗(yàn)力；試驗(yàn)力保持時間（ 10s-15s 不標(biāo)注）。后 3項(xiàng)之間各用斜線隔開。如 600HBW1/30/20 表示用直徑 1mm的硬質(zhì)合金球在 294.2N試驗(yàn)力下保持 20s測得的不是硬度值為 600。需要注意的是：在布氏硬度表示方法中，試驗(yàn)力的單位是千克力（kgf ），2者的換算關(guān)系是 1kgf=9.80665N 。2、洛氏硬度（ 1）洛氏硬度試驗(yàn)原理洛氏硬度是通過測量壓痕深度來表示材料的硬度值。洛氏硬度試驗(yàn)所用到的壓頭有兩種：一種是一定直徑的小淬火鋼球或硬質(zhì)合金球；另外一種就是圓錐角 =120的金剛石圓

6、錐體。試驗(yàn)時，先加初試驗(yàn)力 F0 ，在試樣表面得到一壓痕，深度為 h0 。此時，此時，測量壓痕深度的指針在表盤上指零。 然后加上住試驗(yàn)力 F1 ，壓頭壓入深度為 h1 。表盤上指針以逆時針方向轉(zhuǎn)動到相應(yīng)的刻度位置。 試樣在 F1 作用下產(chǎn)生的總變形 h1 中包括彈性變形與塑性變形。 當(dāng) F1 卸除后，總變形中的彈性變形恢復(fù)， 壓頭回升一段距離 （ h1 - h） 。這時試樣表面殘留的塑性變形深度 h 即為壓痕深度，而指針順時針方向轉(zhuǎn)動停止時所指的數(shù)值就是洛氏硬度值。規(guī)定每 0.002mm的壓痕深度為一個硬度單位。 于是洛氏硬度值 （HR）的計(jì)算公式：錯誤！未找到引用源。式中，當(dāng)使用金剛石圓錐壓

7、頭時， k=0. 2mm：當(dāng)使用淬火鋼球或硬質(zhì)合金壓頭時， k=0.26 mm。2。（ 2）洛氏硬度的特點(diǎn)洛氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是： 壓痕較小，可在工件上進(jìn)行試驗(yàn)； 操作簡便，迅速，硬度值可以直接讀出； 采用不同的標(biāo)尺可以測定各種軟硬不同的金屬盒厚薄不一的試樣的硬度，所以廣泛用于熱處理的質(zhì)量檢測。它的缺點(diǎn)是：壓痕較小，代表性差；若材料中有偏析和組織不均勻等缺陷，則其測得的硬度重復(fù)性差， 分散度大；由于用不同的標(biāo)尺所測得的硬度值彼此沒有聯(lián)系，所以不能夠直接比較。（ 3）洛氏硬度的表示方法。不同的壓頭和試驗(yàn)力對應(yīng)不同的洛氏硬度標(biāo)尺。 一般經(jīng)淬火處理的鋼或工具都采用 HRC測量。洛氏硬度的表示方法是：硬

8、度值，符號 HR，標(biāo)尺字母。如 70HRC表示用 C標(biāo)尺所測得的洛氏硬度值為 70。3、維氏硬度（ 1）維氏硬度試驗(yàn)原理維氏硬度是根據(jù)壓痕單位面積所承受的試驗(yàn)力來計(jì)算硬度值的， 其壓頭是兩相對面間夾角為 136的金剛石四棱椎體。壓頭在試驗(yàn)力 F（ N）作用下將試樣的表面壓出一個四方錐形的壓痕， 經(jīng)過一定的保持時間后卸載試驗(yàn)力， 測出壓痕對角線的平均長度 dd=（ d1+d2）/2, 用來計(jì)算壓痕表面積 A（mm2）。維氏硬度值（ HV）為試驗(yàn)力 F除以壓痕表面積 A所得的商，即0.102F 0.204F sin(136/ 2)FHVd20.18912Ad注：維氏硬度值不標(biāo)注單位。維氏硬度采用正

9、四棱錐體做壓頭的原因, 是當(dāng)改變試驗(yàn)力時壓痕的幾何形狀總保持相似，而不致影響硬度值。維氏硬度常用的試驗(yàn)力范圍為49.03-980.7N ，使用時應(yīng)視材料的厚度及預(yù)期的硬度, 盡可能的采用較大的試驗(yàn)力，以減小壓痕尺寸的測量誤差。如果維氏硬度試驗(yàn)時所選用的試驗(yàn)力較小，在0.098N-0.9807N 之間，則課測定金屬箔、極箔的表面層的硬度以及合金中各種組成相的硬度。由于壓痕的尺寸較小，所以為了提高精度，需要配用顯微放大裝置，這就是顯微維氏硬度試驗(yàn)。（ 2）維氏硬度的特點(diǎn)維氏硬度的優(yōu)點(diǎn)是： 不存在洛氏硬度試驗(yàn)時不同標(biāo)尺無法統(tǒng)一的弊端； 不存在布氏硬度試驗(yàn)時要求試驗(yàn)力 F與壓頭直徑 D之間所規(guī)定的條件

10、的約束； 試驗(yàn)時試驗(yàn)力可以任意選取，而且壓痕測量的精度較高，測得的硬度較為準(zhǔn)確。缺點(diǎn)是由于硬度值需要通過測量壓痕對角線長度后才能進(jìn)行計(jì)算或查表， 所以工作效率低。（ 3）維氏硬度的表示方法是： 硬度值，符號 HV，試驗(yàn)力，試驗(yàn)力保持時間（ 10-15s 不標(biāo)注）。如 600HV30表示試驗(yàn)力為 294.2N下保持 10-15s 測得的維氏硬度為 640。對比三種硬度測試方法， 布氏硬度適用于硬度較低的材料，一般小于 HRC15，如有色金屬、低碳鋼等；洛氏硬度則可以測高硬度的材料，硬度值在HRC2067。3。之間；維氏硬度的應(yīng)用非常廣泛，特別適用于測試表面處理層等小范圍的硬度，但是測試前試樣必須

11、拋光處理。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料1、實(shí)驗(yàn)設(shè)備： 布氏硬度計(jì)，洛氏硬度計(jì)，數(shù)字式顯微硬度計(jì)，測量顯微鏡。2、實(shí)驗(yàn)材料： A3 鋼正火， 45#鋼淬火 +回火， A3 鋼退火。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、制備樣品首先，取 A3 鋼和 45#鋼進(jìn)行如下表所示的熱處理：表 1 熱處理方案試樣編號1#2#3#材料A3 鋼45#鋼A3 鋼處理工藝正火淬火 +回火退火然后，對熱處理后的3 個試樣分別進(jìn)行磨制、拋光等處理，其中3#試樣還要用硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕處理。2、硬度測試對 3 個試樣，分別利用與其對應(yīng)的硬度測試方法測出其硬度值， 并記錄于表 2 中：表 2 硬度測試結(jié)果試樣編號1#2#3#測試方法布氏硬度（HB）洛氏

12、硬度維氏硬度（ HV）(1875N;10mm)（HRC）珠光體鐵素體硬124.7059.5105.8134.1度127.0758.5146.0214.3值125.6060.0平均值59.3四、結(jié)果分析從表 1 中擬定的不同材料的硬度測試方法和表2 中硬度測試的結(jié)果分析可知：A3 鋼正火試樣的硬度值較低，用布氏硬度測得，這是因?yàn)?A3 鋼正火組織為P+F，其硬度較低， 而布氏硬度適合于測試較軟的材料， 如有色金屬和低碳鋼等，其可測試的硬度值一般小于 HRC15。45#鋼淬火 +回火試樣的硬度值較高，測試的是其洛氏硬度，這是因?yàn)?45#鋼淬火 +回火組織是回火馬氏體，為較硬的組織，洛氏硬度可以測試較硬的材料，。4。其可測硬度值在HRC20HRC67之間。對于 3#試樣 A3 鋼退火材料，其組織為珠光