实验1 金属材料硬度测定.doc

金属材料及热处理实验指导书
(2014-2015秋季学期)

指导教师:龚成功
实验1 金属材料硬度测定
实验目的
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。
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。
实验原理概述
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。硬度测量能够给出金属材料软硬程度的数量概念。由于在金属表面以下不同深处材料所承受的应力和所发生的变形程度不同,因而硬度值可以综合地反映压痕附近局部体积内金属的弹性、微量塑性变形抗力、塑性变形强化能力以及大量变形抗力。硬度值越高,表明金属抵抗塑性变形的能力越大,材料产生塑性变形就越困难。另外,硬度与其他力学性能(如强度、塑性)之间有着一定的内在联系,所以从某种意义上说硬度的大小对于材料的使用寿命具有决定性的作用。
常用的硬度试验方法有:
布氏硬度试验——主要用于测量铸铁、非铁金属及经过退火、正火和调质处理的钢材。
洛氏硬度试验——主要用于测量成品零件。
维氏硬度试验——主要用于测定较薄材料和硬材料。
显微硬度试验——主要用于测定显微组织组分或相组分的硬度。
布氏硬度
布氏硬度实验是施加一定大小的载荷F,将直径为D的钢球压入被测金属表面(如图1-1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A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=F/A凹(1-1)
式中HB——布氏硬度;
F——施加外力,N;
A凹——压痕面积,mm2。
图1-1 布氏硬度的试验原理
根据压痕面积和球面面积之比等于压痕深度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:
A凹=πDh (1-2)
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(1-2)中的h改换成d来表示,这样可以根据集合关系求出
(D/2)-h=[(D/2)2-( d/2 )]1/2
h=[D-(D2-d2)1/2]/2 (1-3)
将式(1-2)和式(1-3)代入式(1-1)既得
HB= = (1-4)
当试验力P的单位是N时
HB= = (1-5)
式中的d是变数,故只需测出压痕直径d,根据已知D和F值就可以计算出HB值。在实际测量时,可由压痕直径d直径查表得到HB值。
需要注意的是,由于材料有硬有软,所测工件有厚有薄,若只采用同一种载荷和一个钢球直径时,则对有些试样合适,而对另一些试样可能不合适,对同一种材料而言,不论采用何种大小的载荷和钢球直径,当F/D2=常数时,所得到的HB值是一样的,对不同材料来说,得到的HB值也可以经行比较。
表1-1 布氏硬度试验范围
材料
硬度范围
HB
试样厚度
/mm
F/D2
钢球直径/mm
载荷
F/D
载荷保持时间/s
黑色金属
140~150
<140
6~3
4~2
<2
>6
6~3
<3
30
10
10
5

10
5

29400
7350

9800
2450

10
10
铜合金及镁合金
36~130
>6
6~3
<3
10
10
5

9800
2450

30
铝合金及轴承合金
8~35
>6
6~3
<3

10
5

2450


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洛氏硬度
洛氏硬度试验常用的压头为圆锥角为120°,=。试验时,先对试样施加初试验力F0,在金属表面得一压痕深度为h0,以此作为测量压痕深度的基线。随后再加上主试验力F1后,此时压痕深度的增量为h1。金属在主试验力F1作用下产生的总变形h1中包括了弹性变形和塑性变形。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,),e值越大表示金属洛氏硬度越低;反之,则表示硬度越高。为了照顾习惯上数值越大硬度越高的概念,故而用一个常数k减去e来表示洛氏硬度值,并以符号HR表示,即
HR=k-e (1-6)
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(1-6)换算出相应的硬度值。因此,在试验过程中金属的洛氏硬度可以直接读出。
为了测定软硬不同的金属材料的硬度,在