1、金属硬度测试试验金属硬度测试试验 金属布氏、洛氏、维氏硬度1.实验目的实验目的1.1 掌握布氏、洛氏、维氏硬度计的试验原理、测定方法及其应用范围。1.2 了解布氏、洛氏、维氏硬度计的构造及操作方法。1.3 测试不同状态下金属材料的硬度值，掌握材料组织与性能之间的关系。2.2.实验设备、仪器及材料实验设备、仪器及材料 2.1 2.1 设备仪器设备仪器 （1）布、洛氏两用硬度计（见图1）（2）维氏硬度计（见图2）（3）读数测量显微镜 2.2 2.2 材料材料（1）铸铁 （2）45钢（退火）（3）45钢（淬火+回火）（4）高速钢刀具（5）20渗碳淬火钢零件 （6）硬质合金刀片（7）黄铜（退火）图1
2、布、洛氏两用硬度计 图2 显微维氏硬度计 3.3.金属硬度试验方法金属硬度试验方法 3.13.1布氏硬度试验布氏硬度试验 1 1）试验原理）试验原理 用一定直径D（mm）的钢球或硬质合金球为压头，施以一定的试验力F（N），将其压入试样表面（图3），经规定保持时间t（s）后卸除试验力，而在试样表面获得一直径d的残留压痕，以单位压痕球形表面积上的平均试验力来表示布氏硬度值。其计算公式为：图3 布氏硬度试验原理图 )(204.0102.022dDDDFAFHB2 2）布氏硬度值的表示）布氏硬度值的表示 硬度值+HBS（HBW）+D/试验负荷(Kg)/保荷时间(s)其中HBS为用钢球压头的布氏硬度 H
3、BW为用硬质合金球压头的布氏硬度 例如：240HBS5/750/30表示布氏硬度值为240，试验所用的是钢球压头，直径为5mm，试验负荷为750Kg（7355N），试验保荷时间为30s。3 3）布氏硬度试验条件）布氏硬度试验条件a）布氏硬度试验主要用于室温下黑色、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试。适用范围为8650HB。b）试样表面应制成光滑的平面，表面粗糙度不大于0.8。试验面的制备方式应与材料和试验条件相适应。c）试样厚度应不小于压痕深度的10倍。如有关技术条件另有规定时，则其厚度可为不小于压痕深度的8倍。d）压头直径、负荷大小与保荷时间的确定应根据试样预期硬度和厚
4、度按表1选择。表表1 1 布氏硬度试验规范布氏硬度试验规范材料布氏硬度值范围（HB）试验厚度（mm）负荷F（N）与压头直径D的关系压头直径（mm）负荷F（N）黑色金属140-6506-34-2210.05.02.5294207355183966-31306-34-2210.05.02.5294207355183936-1309-36-366-3310.05.02.5 2452613153 30102.02DF30102.02DF10102.02DF10102.02DF5.2102.02DF4 4）布氏硬度试验操作步骤及方法）布氏硬度试验操作步骤及方法硬度试样。安装试样。将试样增稳地放置在载样台
5、上，要求在试验过程中不发生滑动，选好测试位置，使测试面与压头轴线垂直且测量位置与试样边缘2mm左右。施加预负荷10Kg。转动手轮缓慢均匀升起载样台（尤其在试样接触压头时以免产生冲撞），使显示屏（见图4）上指示线位于滚动标尺100刻度线5格范围内，调节微调使指示线与100刻度线重合。施加主负荷。在确定载荷调节正确下，通过向前缓慢均匀搬动加载手柄加荷。两面一定要平行保荷。在主负荷完全施加上时计时10-15秒保荷。卸荷。保荷时间结束立即反向缓慢均匀地搬动加载手柄卸除主负荷（洛氏硬度可直接读出HRC硬度数值），然后平稳地降下载样台卸除预负荷，并使试样离开压头一定距离以方便取出。测量试样上压痕直径。取下
6、的试样在读数测量显微镜下测试压痕直径。计算硬度值。可公式计算或查表得到该测试点的布氏硬度值。图4 布、洛两用硬度计显示屏5 5）试验方法及结果处理）试验方法及结果处理（1）试验时，压痕中心距试样边缘的距离应大于或等于2.5d，试样两相邻压痕中心的距离应大于或等于4d。试验硬度小于350HB的金属时，上述距离应分别为3d和6d。（2）试验后压痕直径的大小应在下列范围内：0.2Dd0.6D。如不符合上述条件时，试验结果无效，应选用相应的负荷重新试验。（3）用直径为10、5mm的钢球进行试验时，其压痕直径的计量应精确到0.02mm，如用直径2.5mm的钢球则为0.01mm。（4）压痕直径应从两相互垂
7、直方向计量，并取其算术平均值。压痕两直径之差应不超过较小直径的2。3.2 3.2 洛氏硬度试验洛氏硬度试验1 1）试验原理）试验原理 在先后两次施加负荷（预负荷F0和主负荷F1）的作用下，将标准型的压头（金刚石圆锥压头或钢球压头）压入试样的表面，即在加完总负荷F（）保持一定的时间，并卸除主负荷，保留预负荷的情况下，用计量主负荷作用下所产生的残余压入深度e来表示金属材料抵抗塑性变形的能力（见图5）。e值越大金属的硬度越低，反之则硬度越高。洛氏硬度值用HR表示，并在符号后面注以所常用标尺A、B、C等。10FFF 洛氏硬度试验常用标尺所对应的压头、负荷、硬度计算 公式及应用见表2图5 金刚石圆锥洛氏
8、硬度试验原理表2 洛氏硬度常用标尺所对应的压头、负荷、计算及应用 2100eHR标尺压头预负荷（N）总负荷（N）硬度值计算公式应用举例A金刚石圆锥角120顶端球面半径0.2mm98588硬质合金、渗碳钢C1471淬火钢、调质钢、硬铸铁B直径1.588mm的钢球98980软钢，铝合金、铜合金、可锻铸铁备注：e的单位为m。2130eHR2 2）洛氏硬度表示）洛氏硬度表示 硬度值+HRC（HRA或HRB）例如：52HRC表示洛氏硬度值为52，试验所用的是标准金刚石圆锥压头，试验负荷为150Kg3 3）洛氏硬度试验条件）洛氏硬度试验条件a)洛氏硬度试验主要用于室温下金属材料热处理后的产品硬度测试，测量
9、范围为2067HRC；6085HRA；25100HRB。b)试样应制成光滑的表面，其表面粗糙度不大于0.8。c)弯曲表面的试样，当试验面的曲率半径小于20mm时，硬度值必须给与修正。d)试样应具有一定的厚度，必须使压痕不致在试样支承面上引起任何可见的变形。其最小厚度应大于卸除主负荷后压头压入深度的10倍。4 4）洛氏硬度试验操作步骤及方法）洛氏硬度试验操作步骤及方法 安装试样。稳定安置试样在载样台上，要求在试验过程中试样不发生滑动，且使测试面与压头轴线垂直，并选好测试位置。施加预负荷10Kg。转动手轮缓慢平稳升起载样台（尤其在试样接触压头时以免产生冲撞），使显示屏（见图4）上指示线位于滚动标尺
10、100刻度线5格范围内，调节微调使指示线与100刻度线重合。施加主负荷。确定载荷调节正确后，在规定时间内通过向前搬动加载手柄加荷。保荷。在主负荷完全施加上时计时保荷。卸除主负荷读数。保荷时间结束立即反向平稳地搬动加载手柄一次卸除主负荷，保留预负荷，待滚动标尺停止转动时立即在显示屏的对应标尺栏中读出指示线所指值，即为该点洛氏硬度值。卸除预负荷完成该点的硬度测试。5 5）试验方法及结果处理）试验方法及结果处理(1)施加预负荷，试样应向上移动至预负荷全部加上为止，如指示器超过硬度计说明书规定的标志时，则应卸除预负荷重新选点试验。(2)施加主负荷时，加荷压入时间为4 8s，总负荷保持时间为2 25s；
11、具体由加荷后随时间变形的程度而定。(3)主负荷应于2s内平稳卸除，并立即从刻度盘相应的标尺上读数，读数精度应为0.2HR。(4)试样上两相邻压痕中心及压痕中心至试样边缘的距离应不小于压痕直径的三倍。(5)每次更换压头、载样台或支座后的最初两次试验结果不予采用。3.3 3.3 维氏硬度试验维氏硬度试验1 1）试验原理）试验原理 以一相对两面夹角为136的金刚石正四棱锥形压头，在一定的负荷作用下，压入试样表面，经规定的保荷时间卸除负荷后，计量残留压痕两对角线长度（如图6）、并由此求出平均值。由试验负荷与残留压痕表面积之商计算出维氏硬度值。维氏硬度值用HV表示，其计算公式为：（N/mm2）21891
12、.0102.0dFAFHV图6 维氏硬度试验原理示意图2 2）维氏硬度表示）维氏硬度表示 硬度值+HV+试验负荷(Kg)/保荷时间(s)例如：320HV200/30表示维氏硬度值为320，试验所用的试验负荷为200g，试验保荷时间为30s。维氏硬度和显微维氏硬度比较：两者原理、方法及表示均相同，只是显微维氏硬度所用负荷较小，试验条件要求较高，显微维氏硬度试验主要用于在室温下测定金属材料的显微组织组分或相组分的硬度。适用测量范围为82000HV。3 3）维氏硬度试验条件）维氏硬度试验条件 维氏硬度试验主要用于在室温下薄板材或金属表层的硬度测定以及较精确的硬度测定。适用测量范围为81000HV。试
13、样表面应为光滑平面，其表面粗糙度不大于0.40。试样试验面应为平面，如果必须在曲面上进行硬度试验时，测得的硬度值必须给与修正。试样或表面层的最小厚度应大于压痕对角线长度的1.5倍。试验后，试验背面不应有可见的变形痕迹。4 4）维氏硬度试验操作步骤及方法）维氏硬度试验操作步骤及方法 安装试样。试样应稳定地安置在载样台上。选取清晰视场。选择试样测试区域，旋转焦距调节至视场清晰。施加负荷。点击控制面板（见图7）中START键，试验机开始自动加载。保荷。（自动）。卸除负荷。（自动）测量对角线长度。调节焦距至压痕清晰，通过测量目镜系统，以基准线对准压痕一顶角顶点，旋转测量调节使测量线与基准线重合，点击Z
14、ERO清零，然后移动测量线到对角顶点，点击控制面板中ENTER键测量对角线。旋转测量目镜系统90，以同样操作测试另一条对角线。计算出硬度值。在控制面板显示屏中显示出该点的维氏硬度值。图7 数字式显微维氏硬度控制面板5 5）试验方法及结果处理）试验方法及结果处理(1)负荷保持时间黑色金属为1015s；有色金属为302s。(2)试样上两相邻压痕中心及压痕中心到试样边缘的距离不应小于压痕对角线的2.5倍。(3)压痕两对角线之差与其中较短的对角线之比应不大于2。(4)在更换压头、载样台的最初两次试验结果不予采用 4.4.实验要求实验要求 了解各种硬度计的构造、作用原理、使用方法、操作规程和安全注意事项。严格按照试验机操作规程进行。对各种试样选择合适的试验方法和仪器，确定试验条件。根据试验和试样条件选择压头和载荷。每个试样硬度测试点至少三点，并求算术平均值。按照要求填写试验报告。5.5.实验讨论实验讨论 1）硬度计哪几种其测试范围？2）45钢淬火+高温回火热处理工艺处理后应测哪种硬度？3）60Si2Mn材料淬火处理后用哪种硬度计进行测量？4）有色金属用哪种硬度计进行测量？
