【大学课件】金属材料的硬度测试.ppt
实验一 金属硬度实验,http:/,实验目的,1 掌握金属布氏、洛氏、维氏和显微硬度的实验原理和测定方法；2 了解各种硬度实验方法的特点、应用范围及选用原则；3 学会正确使用各种硬度计及它们之间的换算关系。,http:/,二 概述,硬度是衡量金属材料软硬程度的一种性能指标，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。硬度的测量可分为压入法、刻划法、回跳法和摆动法。在机械工业中广泛采用压入法来测量硬度，本实验就是采用压入法，与其它机械性能相比，硬度实验简单易行，又无损于零件，因此在工业中被广泛应用。,http:/,表1金属硬度实验方法国家标准及使用范围,http:/,由于各种硬度实验方法和所根据的原理各有不同，各组成物理量在不同的方法中的作用也不一样，所以不同方法所得的硬度间没有简单准确的互换关系。而现存的换算表是根据同类材料在相同状态下和一定硬度范围内进行比较实验的数据，经过分析比较，而归纳出来的经验关系，有其一定的实用价值。,http:/,（一）金属布氏硬度试验方法,1、基本原理 布氏硬度试验的原理是用一定直径D（mm）的淬火钢球或硬质合金球，以规定的实验力P（Kgf或N）压入试样表面，经规定时间t秒后卸出试验力，试样表面将残留压痕。测量压痕平均直径d（mm）求得压痕球形表面积F凹（mm2）,http:/,HB=P/F凹（1）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积为：F凹=Dh式中：D钢球直径（mm）h压痕深度（mm）,http:/,由于测量压痕直径d要比测定压痕深度容易顾客将（2）式中h改换成d来表示（3）将式（2）和（3）代入（1）即得：,http:/,式中只有d是变数，故只需测出压痕直径d，根据已知D和P值就可计算出HB值。在实际测量时，可由测出压痕直径d直接查表得HB值。由于金属材料有软有硬，所测工件有厚有薄，所以在测定不同材料的布氏硬度值时就要求有不同载荷P和钢球直径D。为了得到统一的、可以相互进行比较得数值，必须使P和D之间维持某一比值关系，以保证所得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。,http:/,两个不同直径的压头D1和D2，在不同的载荷P1和P2的作用下压入金属表面的情况。要想两者的硬度值一样，必须保证两者压痕的几何形状相似，也就是保证压入角相等。将代入此式说明，假如压入角不变时，为了使同一材料两者所得HB也不变，则要求P/D也应保持为常数。,http:/,2、布氏硬度测定的技术要求（1）试样表面要与试验台平行，并有一定的光洁度，以使压痕边缘清晰，保证精确测量压痕直径d。（2）压痕应距试样边缘D（钢球直径），两压痕之间的距离2D。（3）测定压痕直径时，应在相互垂直的方向上测量直径，取其平均值为d。（4）为表明试验条件，可在HB值后标注D/P/T，如HB 10/3000/10，即表示此硬度值是在D=10mm，P=3000Kgf，T=10秒的条件下得到的。,http:/,（二）金属洛氏硬度试验方法,洛氏硬度与布氏硬度试验一样，也是一种压痕实验法，但洛氏硬度不是测量压痕的面积，而是测量压痕的深度，以深度的大小表示材料的硬度值。洛氏硬度试验是在先后两次施加负载（初负荷PO及主负荷P1）的条件下，将标准压头压入试样表面来进行的。标准压头有两种，一种是顶角为1200的金刚石圆锥，另一种是（1/16）（1.588）的淬火钢球。根据材料软硬程度不一，可选用不同的压头和载荷配合使用。,http:/,采用不同的压头和总负荷组成不同的洛氏硬度标度，其中最常用的HRA,HRB,HRC,其试验规范及应用范围见表51。,http:/,（三）维氏硬度试验维氏硬度适用范围大，测量精度高，破坏作用小，所以是较理想的硬度测定方法。它适用于各种金属，各种状态硬度的测定。维氏硬度的测定原理基本上和布氏硬度相同，也是根据压痕单位面积上的载荷来计量硬度值的。,http:/,不同的是维氏硬度用的压头是两相对面间的夹角为1360的金刚石正四棱锥体。在载荷P的作用下，在试样表面上压出一个四方锥形的压痕（凹坑）。测量压痕对角线的长度d，以计算压痕的表面积。以载荷P除以表面积的数值表示维氏硬度HV.,http:/,载荷P可以从1Kg100Kg范围内根据试样大小，厚薄进行选择。压痕对角线长度是用附在目镜上的测微计进行测量的。应测量两条对角线，并求其算术平均值作为压痕对角线长度d，然后用公式计算或根据d值和负荷查表获得Hv。由于维氏硬度采用的是正四棱锥压头，所以无论在多大允许负荷下所得压痕的几何形状都是相似的，而且当材料硬度一定时，P与d2成比例的变化。结果使材料的硬度与负荷大小无关。,http:/,维氏硬度的操作：（1）根据试样的厚度和硬度范围在1100Kgf之间选择负荷，在允许范围内尽可能选择较大的载荷，以提高测量的准确性，并减小表面组织不均匀带来的影响。（2）试样试验面平滑光洁。目镜聚焦后，平稳加载，压痕中心至试样边缘不小于2.5倍对角线长度。（3）卸载后，聚焦，用目镜测微尺测量每个压痕的两条对角线长d1、d2 取平均值d。查表或带入公式计算出维氏硬度值，每个试样至少测三个点以上。,http:/,3、显微硬度试验显微硬度试验原理与维氏硬度完全相同。所不同的只是所加负荷小一些。一般小于200g力，压痕对角线长度以微米计量。显微硬度主要用来测定各种组成相的硬度，以及进行微区性质分析。纤维硬度压头也是正四棱角锥，两对面夹角1360，计算公式为Hm=1854.4P/d2(Kgf/mm2)式中P为负荷，单位克；d是压痕对角线长度，单位微米。测量出d值后，可查表或计算求得显微硬度值。显微硬度由于压痕较小，当负荷较小时压痕因弹性恢复收缩的比例大压痕的大，测得的硬度值偏高。所以尽量采用大载荷，以减少误差。,http:/,显微硬度试验的操作：试样应按试样磨片一样精心制备，将试样平稳地放在工作台上，再光学系统中进行调焦。使图象清晰。在视场中找到需测硬度的部位。工作台逆时针转1800。使试样从显微视场中移到压头下加载（载荷可在1g200g中选用）。转动加载手柄，加栽。,http:/,保持1015秒后，卸载。（有色金属保持30秒）。将试样移回显微镜中。在显微镜中测量压痕对角线长度。首先使目镜中交叉十字线与压痕的棱边重合，然后转动目镜鼓轮，使十字线对准压痕的另一个棱边，两次读数之差，即为压痕对角线长度的格数。,http:/,显微硬度计有两个物镜（F6.16和F23.2），一个目镜（15X）。放大倍数为485X和130X。用压痕对角线的格数乘以放大倍数的系数，求出实际压痕对角线长度d后，查表或带入公式计算求Hm。,http:/,三 实验步骤,1 分别在洛氏硬度计，维氏硬度计上测定铝、黄铜、20钢、T8钢的HRC、HRB、Hv值。2 在步氏硬度计上测定45钢正火、退火试样。3 在显微硬度计上，测定45钢因淬火不足产生的铁素体、马氏体的显微硬度值（示范表演）。,http:/,四 实验报告,1 实验目的2 附上所测的各种材料的洛氏硬度、布氏硬度、维氏硬度的实验结果。3 查表找出各种硬度值之间的换算关系。,http:/,五 思考题,1 通过硬度试验比较洛氏硬度、布氏硬度、维氏硬度、显微硬度的优缺点和应用范围，并说明影响试验结果精确度的因素。2 试说明在测定洛氏硬度、布氏硬度、维氏硬度和显微硬度时，他们对试样的制备有什么要求，为什么？,http:/,3、下列工件需测定硬度，试说明选用何种硬度试验为宜。（1）渗碳层硬度分布（2）淬火火钢（3）灰口铸铁（4）氮化层（5）鉴别钢中隐晶马氏体和残余奥氏体（6）高速钢刀具（7）硬质合金（8）薄板金属材料,http:/,
