金属硬度测定实验报告

金属硬度测定实验报告金属硬度测定实验报告1一、实验目的1.了解不同种类硬度测定的基本原理及常用硬度试验法的应用范围。2.学会使用布氏、洛氏、维氏硬度计并掌握相应硬度的测试方法。二、实验原理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困难。另外，硬度与其他力学性能（如强度、塑性）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材料的使用寿命具有决定性的作用。常用的硬度试验方法有：布氏硬度试验——主要用于测量铸铁、非铁金属及经过退火、正火和调质处理的钢材。洛氏硬度试验——主要用于测量成品零件。维氏硬度试验——主要用于测定较薄材料和硬材料。显微硬度试验——主要用于测定显微组织组分或相组分的硬度。1.布氏硬度布氏硬度实验是施加一定大小的载荷F，将直径为D的钢球压入被测金属表面（如图1-1所示）保持一定时间，然后卸除载荷，根据钢球在金属表面上所压出的凹痕面积A凹求出平均应力值，以此作为硬度值的计量指标，并用符号HB表示。其计算公式如下：HB=F/A凹（1-1）式中HB——布氏硬度；F——施加外力，N；A凹——压痕面积，mm2。图1-1布氏硬度的试验原理根据压痕面积和球面面积之比等于压痕深度h和钢球直径之比的几何关系，可知压痕部分的球面面积为：A凹=πDh（1-2）式中D——钢球直径，mm;h——压痕深度，mm。由于测量压痕直径d要比测定压痕深度h容易故可将式（1-2）中的h改换成d来表示，这样可以根据集合关系求出(D/2)-h=[(D/2)2-(d/2)]1/2h=[D-(D2-d2)1/2]/2（1-3）将式(1-2)和式(1-3)代入式(1-1)既得F2FHB=A凹πD(D?D2?d2）(1-4)当试验力P的单位是N时0.204F0.102F=22(1-5)A凹πD(D?D?d）式中的d是变数,故只需测出压痕直径d,根据已知D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。需要注意的是，由于材料有硬有软，所测工件有厚有薄，若只采用同一种载荷和一个钢球直径时，则对有些试样合适，而对另一些试样可能不合适，对同一种材料而言，不论采用何种大小的载荷和钢球直径，当F/D2=常数时，所得到的HB值是一样的，对不同材料来说，得到的HB值也可以经行比较。2.洛氏硬度洛氏硬度试验常用的'压头为圆锥角为120°，顶部曲率半径为0.2mm的金刚石圆锥体或直径D=1.588的淬火钢球。试验时，先对试样施加初试验力F0,在金属表面得一压痕深度为h0，以此作为测量压痕深度的基线。随后再加上主试验力F1后，此时压痕深度的增量为h1。金属在主试验力F1作用下产生的总变形h1中包括了弹性变形和塑性变形。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。于是得到金属在F0作用下的残余压痕深度h（将此压痕深度h表示成e，其值以0.002mm为单位表示），e值越大表示金属洛氏硬度越低；反之，则表示硬度越高。为了照顾习惯上数值越大硬度越高的概念，故而用一个常数k减去e来表示洛氏硬度值，并以符号HR表示，即HR=k-e(1-6)当使用金刚石圆锥体压头时,常数k定为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(1-6)换算出相应的硬度值。因此，在试验过程中金属的洛氏硬度可以直接读出。为了测定软硬不同的金属材料的硬度，在洛氏硬度计上可选配不同的压头与试验力，组合成几种不同的洛氏硬度标尺。我国常用的标尺有A,B,C三种，其硬度值的符号分别用HRA、HRB、HRC表示。洛氏硬度试验规范和适用范围见表1-2。金属硬度测定实验报告2一、实验目的1.了解常用硬度测量原理及方法；2.了解布氏和洛氏硬度的测量范围及其测量步骤和方法；二、实验设备洛氏硬度计、布洛维硬度计、轴承、试块三、实验原理1.硬度是表示材料性能的指标之一，通常指的是一种材料抵抗另一较硬的具有一定形状和尺寸的物体（金刚石压头或钢球）压入其表面的阻力。由于硬度试验简单易行，又无损于零件，因此在生产和科研中应用十分广泛。常用的硬度试验方法有：洛氏硬度计，主要用于金属材料热处理后的产品性能检验。布氏硬度计，应用于黑色、有色金属材料检验，也可测一般退火、正火后试件的硬度。2.洛氏硬度洛氏硬度测量法是最常用的硬度试验方法之一。它是用压头(金刚石圆锥或淬火钢球)在载荷(包括预载荷和主载荷)作用下，压入材料的塑性变形浓度来表示的。通常压入材料的深度越大，材料越软；压入的浓度越小，材料越硬。下图表示了洛氏硬度的测量原理。图：未加载荷，压头未接触试件时的位置。2-1：压头在预载荷P0(98.1N)作用下压入试件深度为h0时的位置。h0包括预载所相起的弹形变形和塑性变形。2-2：加主载荷P1后，压头在总载荷P=P0+P1的作用下压入试件的位置。2-3：去除主载荷P1后但仍保留预载荷P0时压头的位置，压头压入试样的深度为h1。由于P1所产生的弹性变形被消除，所以压头位置提高了h，此时压头受主载荷作用实际压入的浓度为h=h1-h0。实际代表主载P1造成的塑性变形深度。h值越大，说明试件越软，h值越小，说明试件越硬。为了适应人们习惯上数值越大硬度越高的概念，人为规定，用一常数K减去压痕深度h的数值来表示硬度的高低。并规定0.002mm为一个洛氏硬度单位，用符号HR表示，则洛氏硬度值为：HR?k-h0.0023.布氏硬度布氏硬度的测定原理是用一定大小的试验力F(N)把直径为D（mm）的淬火钢球或硬质合金球压入被测金属的表面，保持规定时间后卸除试验力，用读数显微镜测出压痕平均直径d(mm)，然后按公式求出布氏硬度HB值，或者根据d从已备好的布氏硬度表中查出HB值。测量范围为8~650HBW由于金属材料有硬有软，被测工件有厚有薄，有大有小，如果只采用一种标准的试验力F和压头直径D，就会出现对某些工件和材料的不适应的现象。因此，在生产中进行布氏硬度试验时，要求能使用不同大小的试验力和压头直径，对于同一种材料采用不同的F和D进行试验时，能否得到同一的布氏硬度值，关键在于压痕几何形状的相似，即可建立F和D的某种选配关系，以保证布氏硬度的不变性。特点：一般来说，布氏硬度值越小，材料越软，其压痕直径越大；反之，布氏硬度值越大，材料越硬，其压痕直径越小。布氏硬度测量的优点是具有较高的测量精度，压痕面积大，能在较大范围内反映材料的平均硬度，测得的硬度值也较准确，数据重复性强。四、实验内容1.测量滚动轴承表面洛氏硬度值使用洛氏硬度计对轴承外圈进行硬度测定，记录相关测量数据：加载力（kgf）=1471N2.测量试块表面布氏硬度值在布洛维硬度计上，使档位调至布氏硬度测定档，试块进行表面硬度测定，记录相关测定数据：加载力（kgf）=980NHB?2P?D(D-D-d)22(D=2.5mm;d=读数差×0.004)五、思考题1.测量硬度前为什么要进行打磨？答：测试样品与工作台的`接触面不平。按照国家标准GB/T230.1-20xx，洛氏硬度值=100-h/0.002，式中h为洛氏硬度计压头压入样品的深度，也就是说每0.002毫米或2微米代表1HRC硬度单位，因此被测试样品与工作台接触面的平整度将对测试结果产生极大的影响。当试样底面不平时，载荷完全施加时只要试样因为不平整而导致轻微的偏转，就可能使压头多向下移动几个微米，测试结果就可能引起1-5HRC的误差，甚至更大。因此，测试前被测样品的底面必须用机械加工（如磨床）或手工方法（如砂纸打磨）磨平，以减小测试误差。2.HRC、HB和HV的试验原理有何异同?答：1.布氏硬度(HB)以一定的载荷(一般3000kg)把一定大小(直径一般为10mm)的淬硬钢球压入材料表面，保持一段时间，去载后，负荷与其压痕面积之比值，即为布氏硬度值(HB)，单位为公斤力/mm2(N/mm2)。2.洛氏硬度(HR)当HB>450或者试样过小时，不能采用布氏硬度试验而改用洛氏硬度计量。它是用一个顶角120°的金刚石圆锥体或直径为1.59、3.18mm的钢球，在一定载荷下压入被测材料表面，由压痕的深度求出材料的硬度。根据试验材料硬度的不同，分三种不同的标度来表示：HRA：是采用60kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度极高的材料(如硬质合金等)。HRB：是采用100kg载荷和直径1.58mm淬硬的钢球，求得的硬度，用于硬度较低的材料(如退火钢、铸铁等)。HRC：是采用150kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高的材料(如淬火钢等)。3维氏硬度(HV)以120kg以内的载荷和顶角为136°的金刚石方形锥压入器压入材料表面，用材料压痕凹坑的表面积除以载荷值，即为维氏硬度HV值(kgf/mm2)。4.HRC、HB和HV各有什么优缺点？各自适用范围是什么？举例说明HRC、HB和HV适用于哪些材料及工艺？答：布氏硬度（HB）适用于退火正火钢，压痕大，适用于硬度不均匀材料，不适用于薄料。硬度值应在有效测量范围内（HRC为20-70）为有效；布氏硬度计多用于原材料和半成品的检测，由于压痕较大一般不用于成品检测。一般HBS只适用于450N/mm2(MPa)以下的金属材料，对于较硬的钢或较薄材料不适用；维氏硬度适用于较大工件和较深表面层的硬度测定，小负荷维氏硬度试验负荷1.961~金属硬度测定实验报告3一．实验目的1．了解硬度测定的基本原理及应用范围。2．了解布氏硬度实验机的主要结构及操作方法。二．概述硬度是指材料对另一较硬物体压入表面的抗力，是重要的机械性能之一。它是给初级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能力越大，材料产生塑性变形就越困难，硬度实验方法简单，操作方便，出结果快，又无损于零件，因此被广泛应用。测定金属硬度的方法很多，有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等。1．布氏硬度（HB）（1）布氏硬度实验的基本原理布氏硬度实验是以一定直径的钢球施加一定负荷P，压入被测金属表面（如图1所示）保持一定时间，然后卸荷，根据金属表面的压痕面积F求应力值，以此作为硬度值的计量指标，以HB表示，则（5-1）式中：P—负荷（kgf）；D—钢球直径（mm）h—压痕深度（mm）图5-1布氏硬度实验原理图由于测量压痕d要比测量压痕深度h容易，将h用d代换，这可由图5-1（b）中的△Oab关系求出：（5-2）将式（5-2）代入式（5-1）即得：（5-3）式（5-3）中，只有d是变数，所以只要测量出压痕直径，就可根据已知的D和P值计算出HB值。在实际测量时，可根据HB、D、P、d的值所列成的表，若D、P已选定，则只需用读数测微尺（将实际压痕直径d放大10倍的测微尺）测量压痕直径d，就可直接查表求得HB值。由于金属材料有硬有软，所测工件有厚有薄，若采用同一种负荷（如3000kgf）和钢球直径（如10mm）时，则对硬的金属适合，而对软的金属就不合适，会使整个钢球陷入金属中；若对厚的工件适合，而对薄的金属则可能压透，所以规定测量不同材料的布氏硬度值时，要有不同的负荷和钢球直径，为了保持统一的，可以相互进行比较的数值，必须使P和D之间保持某一比值关系，以保证所得到的`压痕形状的几何相似关系，其必要条件就是使压入角保持不便。由图5-1（b）可知：（5-4）将式（5-4）代入式（5-3）得：（5-5）式（5-5）说明，当φ值为常数时，为使HB值相同，P/D2也应保持为一定值，因此对同一材料而言，不论采用何种大小的负荷和钢球直径，只要满足P/D2=常数，所得的HB值都是一样的。对不同材料，所测得的HB值也可进行比较。P/D2比值有30、10、2.5三种，其试验数据和应用范围可参考表5-1。表5-1各种负荷、压头及应用范围（2）布氏硬度试验的技术要求1）被测金属表面必须平整光洁。2）压痕距离金属边缘应大于钢球直径，两压痕之间距离应大于钢球直径。3）HB〉450的金属材料不得用布氏试验机测定。4）用读数测微尺测量压痕直径d时，应从相互垂直的两个方向上测量，然后取其平均值。5）查表时，若使用的是5、2.5mm的钢球时，则应分别以2和4倍压痕直径查阅。6）为了表明试验条件，可在HB之后标注D/P/T，如HB10/3000/10，即表示此硬度值是在D=100mm，P=3000kgf，T=10秒的条件下得到的。（3）布氏硬度试验机的结构及操作HB-3000型布氏硬度试验机的结构如图5-2所示。它是利用杠杆系统将负荷加到金