材料力学性能实验指导书(材料成型及控制工程专业)概要

1、材料力学性能实验指导书（材料成型及控制工程专业）张学萍沈阳理工大学二零一二年三月目录实验一 硬度实验材料力学性能这门课的实验是该课的重要组成部分，是该理论课的基础，正 确地掌握实验的理论和方法，对提高学生的动手能力、分析问题和解决问题的能力有 重要意义。编写本实验指导书，是根据材料力学性能教学大纲及教材的有关内容、又根 据我院设备、仪器实际情况编写的，这样，与教材的内容相一致，便于安排实验教学。 本实验指导书适用于：材料成型及控制工程专业编者2012 年 3 月实验一硬度实验一、实验目的1. 掌握洛氏、布氏硬度的基本原理及测试方法。2. 根据材料的性质正确选择硬度计类型及压入条件。3. 熟悉各

2、种硬度值之间的换算。二、实验内容用洛氏硬度计测定试样热处理前后的硬度；用布氏硬度计测定45刚退火后的硬度。三、概述硬度试验操作简便，对工件损伤小，可在零件上直接测试，故在生产实践中应用很 普遍。硬度所表征的不是一个确定的物理量，它是衡量材料软硬程度的一种性能指标。硬度值的意义随试验方法而不同。硬度试验基本上可分为压入法和刻划法。对于以压入 法进行的硬度试验，其硬度值是表示材料抵抗另一物体压入其表面的能力，洛氏、布 氏和维氏硬度都属于压入法硬度试验。（一） 洛氏硬度试验法。1洛氏硬度是以压痕的深度来表示 材料的硬度值。图1-1为洛氏硬度试验 原理图。测试洛氏硬度时，用规定的压头， 先后施加两个负

3、荷：预负荷 Fo和主负 荷F1。总负荷F= F0+F1。图1-1中， 0-0位置为未加负荷时的压头位置；1-1图1-1洛氏硬度试验原理位置为施加10kg预负荷后的位置，压 入深度为h1； 2-2位置为加上主负荷后 的位置，此时压入深度为h2； 3-3位置为卸除主负荷后由于弹性变形的恢复而 使压头略微提高的位置，此时压头的实际压入深度为h3。由主负荷引起的残余压入深度h=h3-h1，用此来衡量金属硬度值的大小。若直接用h来表示硬度，则会出现硬的金属硬度值小，而软的金属硬度值反而大的现象。不符常规。为了适宜人们认为数值愈大硬度值愈高的习惯概念，人为规定，用一常数K减去h来表示硬度的太小，并规定每0

4、.002mm为一个洛氏硬度单位。因此，洛氏硬度值的计算公式可写成：HRK hj0.002式中：hi预加负荷压入试样的深度 (mm)；h3卸除主负荷后压人试样的深度(mm)；K 一常数。A 和 C 标尺 K=0.2mm， B 标尺 K=0.26mm。因此，洛氏硬度值的计算公式还可以写成：h3 h1HRC （或HRA ）=100310.002h3 - hiHRB =130-0.002试验时，可选用不同的压头和不同的主负荷，洛氏硬度标尺也随之变化。表1-1为各种洛氏标尺及试验条件。表1-1各种洛氏标尺及实验条件标厂符头 总负荷(号 荷(公斤力7金刚石120。圆锥钢球1/16 钢球1/8 ”钢球1/4

5、 ”钢球1/2 ”160AFHLR100DBEMS150CGKPV表1-1中最常用的是 HRA、HRB、HRC等三种。表1-2为这三种洛氏硬度标尺的试验条件和应用。表1-2三种洛氏硬度标尺的试验条件和应用洛氏 硬度 值测 量范围HR标尺压头形状预负 荷 （公 斤 力）主负 荷 （公 斤 力）总负 荷（公 斤 力）符号大致相 当的维 氏硬度 值表盘 上刻 度的 颜色应用20-67C金刚石120圆锥10140150HRC240-900里八、碳钢、工具钢及合金 钢等淬火 和回火后 的硬度25-100B1/16 钢球1090100HRB60-240红有色金属 及合金退 火锅等低 硬度零件 的硬度70-

6、85A金刚石120圆锥105060HRA390-900里八、碳化物、硬 质合金及 表面硬化零件等2.洛氏硬度计的操作规程洛氏硬度计由机体、加荷机构、测深机构和压头等组成。1）根据试样的材质、形状和尺寸选择压头、负荷，并安装到位；2）试样平放在载物台上，将压头对准试样表面待测部位；3）顺时针转动载物台升降手柄使试样接触压头，继续转动手柄使百分表的小指针指向红点，这表明预负荷已加完，此时要求大指针不偏离刻度盘零点犬个刻度；4）转动刻度盘使其零点对准大指针；5） 扳动加荷手柄施加主负荷，施荷时闻46秒，然后平稳地把手柄扳回到卸荷6）从刻度盘的相应标尺读出指针所指的硬度值；7）逆时针旋转手轮，取出试样

7、，测试完毕。测试洛氏硬度时应注意： 为保证试验结果的精度，试样表面应平整、无油污、无氧化皮及凹坑等；试样3mm。的厚度不应小于压痕深度的10倍。 两相邻压痕中心距离及压痕中心至试样边缘距离均不得小于 洛氏硬度试验如在圆柱或球形表面进行时，应对试验结果加以校正。校正值可 通过下列计算公式求得：对圆柱面：100-HRC “ -HRC =610D对球面: ：HRC 七100HRC 10D式中： HRC 应加上的校正值;HRC球面或圆柱面的硬度;D球或圆柱的直径。 试样的安装必须保证压头所施加的作用力垂直于待测面，对于弯曲及其他不规 则形状的试样，必须采用相应的专用工作台。如对圆柱式样须用V形工作台;

8、 每个试样的试验次数不应少于两次，取其平均值。（二）布氏硬度试验法布氏硬度与材料其他的机械性能关系密切，尤其是与抗拉强度极限存在近似的换 算关系：ob=KHB （其中K为常数，不同的材料有不同的K值），这在生产中有很重要的意义。1 布氏硬度的测试原理图1 2为布氏硬度测试原理图。 用一定大小的负荷 P（公斤力）,把直径力D （mm） 的淬火钢球压人被测试样的表面，保持一定时间后卸除负荷。测量试样表面压痕的直 径d,计算出布氏硬度值，用符号HB表示。该值的大小就是试样表面压痕单位面积上 所承受的压力。即:HB 二 P/F 二 P/二Dh =2P7D （ D . D2 -d2） kg / m2m式

9、中：D钢球直径（mm）;P试验负荷（有3000; 1000; 750; 250等）;d压痕直径（mm）。图1-2布氏硬度测试原理图图1-3压痕相似原理由于金属材料软硬不一，薄厚不同，若只采用一种标准负荷P和钢球直径D，就会出现这种现象：若对硬的材料合适，对软的材料就可能使钢球陷入材料内；若对厚 的材料适用，对薄的材料就可能压透。因此，实际进行布氏硬度试验时，要求选用不 同的负荷P和钢球直径 D。但对于同一种材料采用不同的P和D进行试验，能否得到相同的布氏硬度值， 关键在于压痕的几何形状是否相似。图1-3表示两个不同直径 的压头Di和D 2在不同载荷Pi和P2作用下，压入金属表面的情况。有图可得

10、出：<Pd=Dsin d = Dsin 2即:HBPD22-(1-.1 - si n 2 /2)由上式可看出，假若压入角不变时，为使同一材料的HB值相同，还应保持P /D2 也为常数。国标GB231 63中规定布氏硬度试验时 P/D2的比值为30、10、2.5三种。根据金 属材料种类，试样硬度范围和厚度的不同按表1 3选择P、D及加荷时间。表1-3布氏硬度试验的规范金属 类型布氏硬度值（HB）试样厚度（伽）负荷P与 钢球直径 D的关系钢球直径（伽）负荷P（血）负荷保持 时间（s）6-3103000140-4504-2P=30D2575010黑色V 22.5187.5金属> 6101

11、000V 1406-3P=10D2525010V 32.562.56-3103000金刚石120°24-2P=30D575030圆锥130V 22.5187.59-3101000有色2金属36-1306-3P=10D525030V 32.562.5> 6102508-356-3P=2.5D2562.530V 32.515.62布氏硬度的表示方法：例如用 D=10mm , P=3000kg，负荷保持时间为10秒时所 测得的硬度值为 280,则表示为 HB280。在其它条件下测得的 HB值应注以相应的试 验条件，例如 HB 5/250/30100，表示D=5mm， P=250kg，

12、负荷保持时间为 30秒的条件下 测得的HB值为100。3布氏硬度计的操作规程（以HB 3000B型为例）布氏硬度计由机体、工作台、加荷机构、换向开关系统（电子控制系统）和压入 头等部分组成。1）根据材料选择负荷、压入头及施荷时间；2）把载物台、负荷、压入头装好；3）首先打开开关，接通电源，此时电源指示灯亮。实验力选择好后，按动实验力保持时间按钮（12秒、30秒或60秒）4）将试样放到载物台上，顺时针转动手轮使载物台缓缓上升，试样与压头接触直至手轮与螺母产生相对滑动，按动启动按钮，硬度计即可自动完成一个工作循环。5）试验结束后，转动手轮，取下试样，用读数显微镜测量试样表面的压痕直径。6）根据压痕

13、直径、负荷大小、钢球直径查硬度换算表或用公式计算均可得出布氏 硬度值。附表1 -5列出布氏硬度试验中压痕直径与硬度值之间的关系。4布氏硬度试验中的注意事项1）试样表面应光滑、无氧化皮和污物；2）试样的厚度应不小于压痕深度的10倍；3）相邻压痕中心距离不小于压痕直径的四倍，压痕中心距试样边缘的距离应不小 于压痕直径的2.5倍；4）压痕直径应在0.25D<d<0.6D范围内，否则试验结果无效；5）只可用来测定硬度小于 HB450的金属材料。2 2H 二 P/F = 1.8544P / d（kg/mm ）两次测量的算术平均值，即为此压痕对角线长度。根据已得出的压痕对角线的长度和所用的试验

14、力，在维氏硬度值换算表中查出硬度值，取下试件，即完成一次试验。（四）各种硬度间的换算附表1-7中列出布氏、洛氏和维氏硬度间的换算。洛氏硬度和布氏硬度之间有一 定的换算关系。对钢铁材料而言，HBa2HRB HB20HRC （只当HRC=40 =60范围）四、实验仪器、设备及材料HRS-150型洛氏硬度计；HR-150A型洛氏硬度计；HB-3000B型布氏硬度计读数显微镜。45钢退火件；45钢或T10钢淬火件；纱布等。五、实验步骤1分组熟悉各种硬度计的构造及操作方法。2用砂纸打磨试样的表面3进行硬度测定，洛氏硬度(HRB、HRC )每个试样测三点，取平均值并记录在 下表中；，布氏硬度(HB )每个

15、试样测两点，然后用读数显微镜测试样表面的压痕直 径，测得结果查表1-5确定试样的硬度值，取两点的平均值并记录在下表中。洛氏硬度项目试样实验规范实验结果换算成 布氏硬 度HB压头主载何kg硬度标尺第一次第二次第三次平均值45钢淬火45钢退火布氏硬度项样实验规范实验结果换算洛氏值钢球直径D (mm)王载 荷(kg)P/D2施荷 停留 时间 (S)第一次第二次平 均 值HBHRC压痕直 径 d(mm)HB压痕直 径 d(mm)HB30钢退火六、实验报告要求1认真填写实验内容、实验目的、实验仪器、设备及材料、布氏、洛氏硬度计的 测定原理、实验步骤；2填好上述二表；3选择下列三种材料所用的硬度计类型(要

16、全面)及压入条件：1）60 钢淬火件；（2） 20 钢淬火后高温回火（调质处理） ；（3）20 钢退火件；（ 4）铝合金；4.认真回答思考题。七、实验成绩评定 按照实验指导书的具体要求，根据每个学生实验前的预习情况、实验过程中操作情况及实验报告的质量，综合给出实验成绩。附表1-5压痕直径与布氏硬度对照表在下列载荷P(kgjJ；T庄瘪貢径i 离序鎭荷恥1 z.otfT"5 gHi 芫拧；1DD2 |:.?ir爲0；:曲:tar*- 丁斗. 孙，| iOD2.84-tirM.;9工 2 9 6 3 Q 7 4 2 9 石 4 2 9 7 5 3 i 6 6 6 Ti o C 6 9 3

17、3 6 心怜16.廿話二a扛扫门存出“监皿监F9铝防腐S.4R.2Li上一上 9 7 6 5 5 5 5 5 7 8 9 O 2 4 6 9 4 6 O 3 7 -./ 6726362度59煤阪55.5453.51.5049淞47464544曲42414140独18.3737.迢虫35,3433+泳迄伫.30芬402 刃5563.65.707580務9095O0C5I01520公J0.35观.455055ho657D75sos5.&5加 444444 4 4 44/ *71-444535.5 5 555 5 55.5.5.35.5.5.5.5.5.勒 4_3J033 4 5 7 9 2

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19、2 24 2 r 1 2 上 21 2 3 3J.3 3 3 m 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 m 子 3 4 44.4,4.4.(GB231-63 )中规定的数据。注：1.本表摘自国家标准金属布氏硬度试验法2.表中压痕直径 D=10mm钢球的试验数据，如用D=5mm或D=2.5mm钢球试验时，则所得压痕直径应分别增加到2倍或4倍。例如用D=5mm钢球在750kgf载荷下所得的压痕直径为 1.65mm, 则在查表时采用1.65 >2=3.30mm ,而其相应硬度值为 341。附表1-7各种硬度（布氏、洛氏、维氏）换算表HBi&ynn诸氏靈度1捱氏硬度HV|菲氏理度| J®UrtQED落氏BE度!建氏連度HVHRAHRCHIUHRCS3.965如（旳血3754783.364332(63-5)36338$2启£3323