金属材料硬度测定

1、实验2 金属材料硬度测定一、实验目的1. 掌握金属布氏、洛氏、维氏硬度的试验原理和测定方法。2. 了解各种硬度试验方法的特点、应用范围及选用原则。3. 学会正确使用各种硬度计。 二、实验原理硬度是材料力学性能的重要指标之一，而硬度试验则是判断金属材料或零件质量的重要手段。由于金属的硬度与其他机械性能有相互对应关系，因此，大多数金属材料可以通过测定硬度近似地推算出其他机械性能，如强度、疲劳、蠕变和磨损等。金属硬度试验是一种较为迅速而经济的力学性能试验方法，在生产及科研中应用非常广泛。硬度试验方法有很多，最常用的有：布什法、洛氏法、维氏法和显微维氏法。1. 金属材料布氏硬度布什硬度试验是将直径为D

2、（mm）的硬质钢球，以相应的试验力F（kgf）压入被测金属表面（如图所示）经规定保持时间t（s）后卸除外力，测量试样表面的球形压痕直径d（mm），求压痕表面积A（mm2）。将单位压痕面积承受的平均压力（F/A）定义为布什硬度，其符号用HB表示。F图2-1 布氏硬度试验原理图（a）钢球压入试样表面 （b）卸去载体后测定压痕直径（a）（b）其计算公式如下： （2-1）式中 h压痕凹陷的深度，mm；Dh为压痕的表面积，mm2布氏硬度的单位为kgf/mm2，但一般不标注单位。如载荷的单位用牛顿(N)， 则布氏硬度的单位变为MPa，上式的右端应乘以0.102。式中的d是变数，故只需测出压痕直径d，根据D

3、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。压痕直径是用读数显微镜测量的，其使用方法参照图2-2。.在读数显微镜的测微目镜组中装有两块上下分划板，上分划板刻有08毫米长的标尺，标尺每格的格值为1毫米（见图2-2a）。下分划板装在上分划板的下面，其上刻有一条长刻线，并和上分划板的标尺相垂直（见图2-2a）。当旋动读数指示套时，下分划板可左右移动，而上分划板则固定不动。读数指示套由0100划分了100个小格，每一小格的单位是0.01毫米（见图2-2b）。 使用读数显微镜测量压痕直径时，将仪器置于被测试样上，并使读数显微镜的入光孔朝向光线，被测试样用自然光或灯光照射，然

4、后调节目镜焦距，使视场中同时看清分划板和物象。进行测量时，先旋动读数指示套，使刻有长丝的下分划板移动，同时稍微移动读数显微镜，使竖直长丝与被测压痕的一边相切，得一读数，然后再旋动读数指示套，使竖直长丝与被测压痕的另一边相切，又得一读数，二者之差即为被测压痕的直径。图2-2 读数显微镜测量示意图（a）测量示例（b）读数显示套布氏硬度值的表示方法，一般记为“数字+硬度符号(HBW)+数字/数字/数字”的形式，符号前面的数字为硬度值，符号后面的数字依次表示钢球直径、载荷大小及载荷保持时间等试验条件。例如，当用5mm钢球，在3000kgf载荷作用下保持 30 s时测得的硬度值为600，则记为600HB

5、W10/3000/30。当保持时间为1015s时可不标注。球体直径D规定有四种：10、5、2.5和1mm。主要根据试样厚度来选择，试样厚度至少应为压痕深度的8倍。在试样厚度允许的条件下，应尽可能选用较大直径的球体作压头，从而得到能够真实反映出金属平均硬度的较大压痕。 布氏硬度试验的基本条件是载荷P和压球直径D必须事先确定，只有这样所得的数据才能进行相互比较。对于材料相同而厚薄不同的工件，为了测得相同的布氏硬度值，在选配压头直径D及试验力F时，应保证得到几何相似的压痕（即压痕的压入角保持不变）。从图2-2中可看出，和d的关系代入（2-1）式后得： （2-3）由公式（2-2）可知要保证同一材料得到

6、相同的硬度值，必须使F/D2为常数。这样对于不同材料来讲，得到的硬度值也可以进行比较。对于软硬不同的材料，为了测得统一的、可资比较的硬度值，应选用不同的F/D2的比值，以便将压入角限制在2874的范围内，与此对应的压痕直径d在(0.240.6)D之间。图2-2 压痕相似原理生产上常用的F/D2值规定有30、15、10、5、2.5和1 共六种，根据材料种类不同和布氏硬度的范围而分别采用，如表2-1 所示当球体直径D及F/D2比值确定后，试验力F也就随之被确定了。 表2-1 布氏硬度试验F/D2值的选择材料布什硬度F/D2钢、镍合金、钛合金30铸铁14014010 30铜及铜合金35 35200

7、2005 10 30轻金属及其合金35 3580 802.5 5、10、15 10、15铅、锡1布什硬度试验优点是采用较大直径的压头和压力，因而压痕面积大， 能反映出较大体积范围内材料各组成相的综合平均性能，而不受个别相和微区不均匀性的影响。缺点压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。不适合直接在零件上测试，压痕直径的测量比较麻烦。所以布什硬度试验主要用于黑色、有色金属原材料检验，也可用于退火、正火钢零件的硬度测定。2. 金属洛氏硬度洛氏硬度是以一定的压力将压头压入试样表面，以残留于表面的压痕深度来表示材料的硬度。压头分为两类：（1）圆锥角=120º、顶部曲率半径为0.2m

8、m的金刚石圆锥体，适于测定淬 火钢材等较硬的材料；（2）直径为1.588mm和3.175mm的钢球，适于测定退火钢、有色金属等较软材料的硬度。图2-4洛氏硬度试验原理图图2-3中00为金刚石压头没有和试样接触时的位置，先对试样加上规定的初试验力F0，这样压头到达11位置，压痕深度ab=h0点，随后再加上主试验力F1，压头到达22位置，压痕深度ac=h1，金属在F1作用下产生总变形h1中包括弹性变形与塑性变形。当将F1卸除后，总变形中的弹性变形恢复，使压头回升一段距离到达33位置，压痕深度ad=h2，于是得到金属在F0作用下的残余压痕深度增量bd=e（其值0.002mm为单位表示），e也就是压头

9、受主试验力F1作用实际压入的深度。e值越大表明金属洛氏硬度越低；反之，则表明硬度越高。为了照顾习惯上数值越大硬度越高的概念，故用一个常数k减去e来表示洛氏硬度值，并规定每0.002mm为一个硬度单位，用符号HR表示，即 （2-3）当使用金刚石圆锥体压头时，常数k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，并按上式换算出相应的硬度值。因此，在试验过程中金属的洛氏硬度值可直接读出。 为了测定不同软硬材料的硬度，长采用不同的压头和总试验力组合成几种不同的洛氏硬度标尺。每一种标尺用一个字母在洛氏硬度符号HR后注明，有9种

10、之多，常用的是HRA、HRB和HRC。其实验规范及应用见表2-2表2-2 各种洛氏硬度的试验规范及应用硬度符号压头类型初始试验力/kgf主试验力/kgf总试验力/kgf测量硬度范围应用实例HRA金刚石圆锥1050602088高硬度的薄件、表面薄层硬化钢、硬质合金等HRB1.588mm淬火钢球9010020100铜合金、铝合金、退火钢、可锻铸铁等HRC金刚石圆锥1401502070淬火及回火钢、高硬度铸铁等HRD金刚石圆锥901004077薄钢板、中等表面硬化钢、珠光体可锻铸铁等HRE3.175mm淬火钢球9010070100灰铸铁、铝合金、镁合金、轴承合金HRF1.588mm淬火钢球50606

11、0100退火铜合金、软质薄钢板HRG1.588mm淬火钢球1401503094可锻铸铁、铜镍合金、铜镍锌合金HRH3.175mm淬火钢球506080100铝、铅、锌HRK3.175mm淬火钢承合金、较软金属、薄材3. 金属维氏硬度及显微维氏硬度维氏硬度的测定原理和布氏硬度相同，也是根据单位压痕单位面积上承受的载荷来计算硬度值。 所不同的是维氏硬度采用锥面夹角为136°的四方金钢石角锥体压头，这样当载荷改变时压入角不变，因此载荷可以任意选择，这是维氏硬度试验最主要的特点，也是最大的优点。其试验原理如图2-4所示。压头在试验力F（单位为kgf或N）作用下，将试样

12、表面压出一个四方锥形的压痕，经规定保持时间后，卸除试验力，测量出压痕对角线平均长度dd=(d1+d2)/2，用以计算压痕的表面积。维氏硬度值（HV）就是试验力F除以压痕表面积A所得的商值： （2-4）当F单位为kgf，d单位为mm时，维氏硬度的单位为kgf/mm2，但一般不标注单位。如载荷的单位用牛顿(N)， 则维氏硬度的单位变为MPa，上式的右端应乘以0.102。F图2-5维氏硬度试验原理图维氏硬度的表示方法同布氏硬度，如640HV30/20,前面的数字为硬度值，后面的数字依次为所加载荷（kgf）和保持时间。维氏硬度试验时，所加的载荷是50N，100N，200N，300N，500N，1000

13、N等六种。当载荷一定时，即可根据d值，算出维氏硬度表。实际测量时，可由压痕对角线长度d直径查表得到硬度值。显微硬度试验一般是指测试载荷小于2N的硬度试验。金属的显微维氏硬度试验原理与宏观维氏硬度试验法完全相同。显微维氏硬度法所得到的压痕对角线也只有几微米至几十微米。因此适合测微小区域的硬度值，是研究金属微观组织性能的重要手段，常用来测定金属中不同的相、表面硬化层、渗层、镀层等显微硬度。金属显微维氏硬度的符号、硬度值的计算公式和表示方法与宏观维氏硬度试验法完全相同。三、实验设备及材料1. 硬度计：布什、洛氏、维氏硬度计2.实验材料：T12、20钢或灰铸铁、渗氮件等。 四、实验方法和步骤 1. 了解各种硬度计的构造原理，学习操作规程及安全注意事项，掌握操作方法。2. 对各种试样选择合适的硬度试