实验讲义八 材料的硬度试验.doc

实验八 材料的硬度试验一、金属的硬度试验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、微量塑变抗力、塑变强化能力以及大量形变抗力。硬度值越高，表明金属抵抗塑性变形能力越大，材料产生塑性变形就越困难。另外，硬度与其它机械性能（如强度指标b及塑性指标和）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机械零件或工具的使用性能及寿命具有决定性意义。硬度的试验方法很多，在机械工业中广泛采用压入法来测定硬度，压入法又可分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。压入法硬度试验的主要特点是：1试验时应力状态最软（即最大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。2金属的硬度与强度指标之间存在如下近似关系：bKHB式中：b 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 = 0.340.36合金调质钢K = 0.330.35有色金属合金K = 0.330.533硬度值对材料的耐磨性、疲劳强度等性能也有定性的参考价值，通常硬度值高，这些性能也较好。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。4硬度测定后由于不仅在金属表面局部体积内产生很小压痕，并不损坏零件，因而适合于成品检验。5设备简单，操作迅速方便。（一）实验目的1.了解硬度测定的基本原理及应用范围；2.了解洛氏硬度计的主要结构及掌握操作方法；3. 了解布氏硬度计的主要结构及掌握操作方法。（二）洛氏硬度（HR）1洛氏硬度试验的基本原理洛氏硬度属于压入硬度法，但它不是测定压痕面积，而是根据压痕深度来确定硬度值指标。其试验原理如图1所示。图1 洛氏硬度试验原理图 洛氏硬度试验所用压头有两种：一种是顶角为120的金刚石圆锥，另一种是直径为（1.588mm）或（3.176mm）的淬火钢球。根据金属材料软硬程度不一，可选用不同的压头和载荷配合使用，最常用的是HRA、HRB、HRC。这三种洛氏硬度的压头、负荷及使用范围列于表1。洛氏硬度测定时，需要先后两次施加载荷（预载荷和主载荷），预加载荷的目的是使压头于试样表面接触良好，以保证测量结果准确，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，由于弹性变形恢复二稍提高到3-3位置，此时压头的实际压人深度为h3。洛氏硬度就是以主载荷所引起的残余压入深度（h=h3-h1）来表示。但这样直接以压入深度的大小表示硬度，将会出现硬的金属硬度值小，而软的金属硬度值大的现象。为了与习惯上数值越大硬度越高的概念相一致，采用一常数（K）减去（h3-h1）的差值表示硬度值。为简便起见又规定每0.002mm压入深度作为一个硬度单位（即刻度盘上一小格）。表1 洛氏硬度的试验范围材料硬度范围（HB）试样厚度（mm）钢球直径D（mm）载荷（kgf）载荷保持时间（s）黑色金属140450140634266366366332.51052.525062.515.660洛氏硬度值的计算公式如下：式中：h1 预加载荷压人试样的深度（mm）；h3卸除主载荷后压人试样的深度（mm）；K常数，采用金刚石圆锥时K=0.2(用于HRA、HRC)，采用钢球时K=0.26（用于HRB）。因此，上式可改为：HRC(或HRA)=100- HRB=130- 2测定洛氏硬度的技术要求（1）根据被测金属材料的硬度高低，按表1选定压头和载荷。（2）试样表面应平整光洁，不得有氧化或油污以及明显的加工痕迹。（3）试样厚度应不小于压人深度的10倍。（4）两相邻压痕及压痕离试样边缘的距离均不应小于3mm.（5）加载时力的作用线，必须垂直于试样表面。3洛氏硬度计的结构和操作（1）H-100型杠杆式洛氏硬度计的结构如图2所示，其主要部分及作用如下：1-支点； 2-指示器； 3-压头； 4-试样； 5-试样台； 6-螺杆； 7-手轮； 8-弹簧； 9-按钮；10-杠杆；11-纵杆； 12-重锤； 13-齿杆； 14油压缓冲器； 15-插销； 16-转盘； 17-小齿轮； 18-扇齿轮图2 H-100型杠杆式洛氏硬度计的结构图机体及工作台：试验机有坚固的铸铁机体，在机体前面安装有不同形状的工作台，通过手轮的转动，借助螺旋的上下移动而使工作台上升或下降。加载机构：由加载杠杆（横杆）及挂重架（纵杆）等组成，通过杠杆系统将载荷传至压头而压人试样，借助扇形齿轮的转动可完成加载和卸载任务。千分表指示盘：通过刻度盘指示各种不同的硬度值（如图3所示）。（2）操作规程如下：根据试样预期硬度按表1确定压头和载荷，并装入试验机。将符合要求的试样放置在试样台上，顺时针转动手轮，使试样于压头缓慢接触，直至表盘小指针指到“0”为止，此时即已预加载荷10kgf。然后将表盘大指针调整至零点。此时压头位置即为图1中的11位置。按动按钮，平稳地加上主载荷。当表盘中大指针反向旋转若干格并停止时，持续34秒（此时压头位置相当于图1中的33位置）。由表盘上可直接读出洛氏硬度值，HRA、HRC读外圈黑刻度，HRB读内圈红刻度。逆时针旋转手轮，取出试样，测试完毕。图3 洛氏硬度指示盘（三）布氏硬度（HB）1锤击式布氏硬度试验的基本原理本硬度计试验法是以一定直径的钢珠，在施以瞬时的冲击试验力后，使钢珠陷于被试验件于标准硬度试块中，从而获得压痕，通过对压痕的简单测量与查表即可迅速获得试件的硬度值。2测定布氏硬度的技术要求（1）本硬度计测定的试件的硬度必须低于硬度计中钢珠的硬度，一般测定淬火、回火、退火钢的布氏硬度，铸铁布氏硬度、铜合金、铝合金的布氏硬度。（2）试样表面应平整光洁。（3）试样厚度不小于压入深度的10倍。（4）两相邻压痕中心距离不得小于10mm。（5）锤击时要垂直而短促，不得在同一压痕上敲击第二次。（6）不能太过用力敲击，标准试块上所产生的钢珠压痕直径不能超过4.2mm。3锤击式布氏硬度计的操作（1）将标准硬度试块大倒角形的一端插入钢珠及冲头之间；（2）将装有标准试块的硬度计垂直的放在试件表面上；（3）用锤自垂直而短促的敲击冲头（敲击不必太重）；（4）测量标准试块及试件上的压痕尺寸；（5）使用表格，确定硬度。4表格用法（1）找出你试验材料的附表；（2）从表中先找出“在标准试块上钢珠的压痕直径”标题栏；（3）根据标准试块实测压痕直径确定某一横栏；（4）寻找“在试件上钢珠压痕直径”标题栏；（5）根据试件实测压痕直径确定某一纵栏；（6）将得到的横栏于纵栏延伸，相交处即得到所查的布氏硬度及抗拉强度；（7）将所查出的试件的布式硬度乘以所用标准试块上刻印的比例系数即得到了所试验的布式硬度值。（在表中所列的数字是以布式硬度为197HB的标准试块作为根据的）。（四）实验方法指导1实验内容（1）H-150洛氏硬度计及HB-2型锤击式硬度计的结构刨析；（2）待测硬度的试件制备；（3）各类金属材料（主要是钢45、T12等）的洛氏或布式硬度测定。2实验设备及材料（1）H-150型洛氏硬度计；（2）HB-2型锤击式布氏硬度计；（3）读数放大镜；（4）45钢、T12钢、铸铁、铜合金等。3注意事项（1）试样两端要平行，表面应平整，若有油污或氧化皮，可用砂纸打磨，以免影响测试。（2）圆柱形试样应放在带有“V”型槽的工作台上操作，以防试样滚动。（3）加载时应细心操作，以免损坏压头。（4）加预载荷（10kgf）时若发现阻力太大，应停止加载，立即报告，检查原因。（5）测完硬度值，卸掉载荷后，必须使压头完全离开试样后再取下试样。（6）金刚钻压头系贵重物件，质硬而脆，使用时要小心谨慎，严禁与试样或其它物件碰撞。（7）应根据硬度试验机使用范围，按规定合理选用不同的载荷和压头，超过使用范围将不能获得准确的硬度值。（五）实验报告要求1实验目的。2实验原理（解释洛氏硬度测定中，为什么用K-(h3- h1)的1/0.002值来表示强度值。3测定硬度的步骤及数据。4结果分析及体会。二、橡胶的硬度试验概述橡胶硬度表示橡胶抵抗外力压入的能力，其硬度值的大小表示了橡胶的硬软程度。由于橡胶的硬度与其他力学性能入定伸、弹性、磨耗等都有密切的关系，因此，在某种意义上可以通过测量其硬度间接了解其他力学性能。各种橡胶制品都有一定的硬度，因此硬度值的测量是橡胶制品一项重要的技术指标。另外，由于胶料存在塑炼、混炼、硫化等不同操作工艺，所以胶料的硬度不同。因此橡胶硬度的测试对判定产品的质量，控制生产工艺都具有十分重要的意义。（一）实验原理邵氏硬度计是用外力把硬度计的压针以弹簧的压力压入试样表面的深浅来表示其硬度大小。橡胶受压将产生反抗其压入的反作用力，直到弹簧的压力与反作用力相平衡，橡胶越硬反抗压针压入的力量越大，使压针压入试样表面深度越浅，而弹簧受压越大，金属轴上移越多，故指示的硬度值越大，反之则相反。压针压入试样的深度在平衡时可用下式表示：T2.5-0.025h式中 T-压针压入试样的深度，mm； 2.5压针行程，mm； 0.025每个小刻度值表示压入的深度，mm； h硬度值（测试时表盘指示值）。硬度计压针的行程为2.5mm，刻度盘上有100个格，其刻度值是根据相似三角形原理和弦等分定理设计的，弹簧压力按规定校核，使每一小格相当于压针压入试样0.025mm的深度，表示一个硬度值。（二）实验仪器及试样1实验仪器LX-A型邵氏硬度计。邵氏硬度范围为0-100。图4 邵式A型硬度计2试样（1）试样厚度不应小于6mm，长度不小于35mm，如试样厚度不够，可用同样胶片重叠，但不准超过四层，并要上下两面平行。（2）试样表面应光滑、平整、无缺胶现象及机械损伤，无杂质等。（三）实验步骤1首先在未进行测试前，加上定负荷1kg后，使硬度计压针压在玻璃工作台上，此时指针应指在第100个格，否则应予调整。2把橡胶试样放在硬度计玻璃工作台上，当硬度计加压面与试样全接触后，立即读出此时的硬度值。、试样上每个测量点只准测量一次，每个试样应测量3点。（四） 实验分析与结果1硬度计刻度盘上每一小格表示一个硬度值，刻度值大，表示胶料硬度越大，反之相反。2每个试样测其三点，求其平均值。（五）实验影响因素分析1试样厚度 如果试样过薄，试样受到压针压入产生变形，受压部分变薄。这样压针就会受到承托试样的玻璃板的影响，使硬度值增大。如果试样厚度增加，这种影响就会相对减小。因此，试样不能小于6mm。如下表2所示。表2 试样厚度对邵氏硬度的影响厚度试样 3mm6mm12mm1504744238353334642402压针长度 硬度计压针的长度，即压针的行程，规定在（2.50.00）（2.5-0.05）mm，如果大于25mm测得的硬度值偏高。因行程大，弹簧单位压力减小，致使硬度计内金属轴移动大，反之则偏低。如下表3所示。表3 压针长短对硬度的影响压针不同胶料 104100931474849270717438586883压针端部的尺寸 压针端部的尺寸不同，其单位面积上压力也不同，直径大，接触面积大，则压强小，所测硬度值偏高，反之则偏低，如下表4所示。表4 压针端部形状尺寸对硬度值的影响压针端部形状尺寸试样 0.8mm0.85mm0.90mm147484927071743858688