实验一 金属材料的硬度实验

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1、实验一、金属材料的硬度实验一、实验目的1.了解硬度测定的基本原理及应用范围。2.了解洛氏硬度试验机的主要结构及操作方法。二、实验原理硬度是金属材料局部抵抗硬物压入其表面的能力或金属材料表面抵抗局部塑性变形的能力。硬度测量能够给出金属材料软硬程度的数量概念。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。另外硬度与其他机械性能（如强度指标σb及塑性指标ψ和δ）之间有着一定的内在联系【低碳钢σb≈0.36HB，高碳钢σb≈0.34HB，合金调质钢σb≈0.36HB，灰铸铁σb≈0.

2、1HB】。所以从某种意义上说硬度的大小对于机械零件或工具的使用性能及寿命具有决定性意义。测量硬度的方法主要有压入法、回跳法和刻划法三大类：①压入硬度：主要用于金属材料，方法是用一定的载荷将规定的压头压入被测材料，以材料表面局部塑性变形的大小比较被测材料的软硬。由于压头、载荷以及载荷持续时间的不同，压入硬度主要有布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度等几种。布氏硬度洛氏硬度维氏硬度显微硬度测试材料较软（有色金属、热处理之前或退火后的钢铁）硬质合金、有色金属、调质钢等（1）较大工件，较深表面层（P=10

3、～1000N）；（2）较薄工件、工具表面或镀层（P=1.961～49.03N）（3）金属箔类（P<1.961N，显微硬度）合金中不同相、表面硬化层、化学热处理渗层、镀层及金属箔材原理淬火钢球（HBS，适用HB<450）或硬质合金球（HBW,适用450≤HB≤650）压入被测材料表面，一段时间后卸荷。测定压痕深度来表示材料的硬度值同布氏硬度，但压头不是球体，采用夹角为136o的四棱锥体金刚石压头同维氏硬度，(P=0.01~0.2kgf)公式HBS(HBW)=P/AHR=（k-h）/0.002Hv=0.

4、102F/A=18.173×P/d2示意图仪器②回跳硬度：主要用于金属材料，方法是使用一特制的小锤从一定高度自由下落冲击被测材料的试样，并以试样在冲击过程中的储存（继而释放）应变能的多少（通过小锤的回跳高度测定）确定材料的硬度。③划痕硬度：主要用于比较不同矿物的软硬程度，方法是使用一端硬一端软的棒，将被测材料沿棒表面划过，根据出现划痕的位置确定被测材料的软硬。定性地说，硬物体划出的划痕长，软物体划出的划痕短。在机械工业中广泛采用压入法来测定硬度。压入法硬度试验的主要特点是：实验时应力状态最软（即最大

5、切应力远远大于最大正应力），因而不论是塑性材料还是脆性材料均能发生塑性变形。金属的硬度与强度指标之间存在如下近似关系：σb=K×HBσb：材料的抗拉强度值；HB：布氏硬度值；K：系数退火状态的碳钢K＝0.34~0.36合金调质钢K＝0.33~0.35有色金属合金K＝0.33~0.53硬度值对材料的耐磨性、疲劳强度等性能也有一定的参考价值，通常硬度值高，这些性能也就好。在机械零件设计图纸上对机械性能的技术要求，往往只标注硬度值，其原因就在于此。硬度测量后由于仅在金属表面局部体积内产生很小压痕，并不损坏

6、零件，因而适合于成品检验。莫氏硬度笔（对应材料镶嵌在笔头）：表示矿物硬度的一种标准。1824年由德国矿物学家莫斯(FrederichMohs)首先提出。应用划痕法将棱锥形金刚钻针刻划所试矿物的表面而发生划痕,习惯上矿物学或宝石学上都是用莫氏硬度。用测得的划痕的深度分十级来表示硬度：1滑石(Talc)（硬度最小），2石膏(Gypsum)，3方解石(Calcite)，4萤石(Fluorite)，5磷灰石(Apatite)，6正长石(Feldspar;Orthoclase;Periclase)，7石英(q

7、uartz)，8黄玉(topaz)，9刚玉(corundum)，10金刚石(diamond)。1.洛氏硬度测试法（1）洛氏硬度试验的基本原理洛氏硬度测试法是目前应用最广泛的硬度试验方法。洛氏硬度试验的原理和布氏的不同在于：它不是以测量压痕的面积来计算硬度，而是根据压痕深度来确定硬度值指标。一般洛氏硬度机不需要直接测量压痕深度，其值可由刻度盘上的指针指示出来（或液晶显示屏显示）。洛氏硬度测定时，在规定条件下，将压头（顶角为120°的金刚石圆锥或直径为1/16"（1.588mm）的淬火钢球或硬质合金球）

8、分两个步骤压入试样表面。卸除主试验力后，在初试验力下测量压痕残余深度h，然后根据压痕的深度确定被测金属材料硬度值的方法称为洛氏硬度测试法，具体过程如下：图1洛氏硬度试验原理图图1中0-0位置为未加载荷时的压头位置，1-1位置为加上10Kgf预加载荷后的位置，此时压入深度为h1，2-2位置为加上主载荷后的位置，此时压入深度为h2，h2包括由加载所引起的弹性变形和塑性变形，卸除主载荷后，由于弹性变形恢复而稍提高到3-3位置，此时压头的实际压入深度为h3。洛氏硬度就是以主载