材料的硬度测试及对比分析.docx
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材料的硬度测试及对比分析
材料的硬度测试及对比分析
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、洛氏硬度试验机的主要结构及操作方法。
3.通过数据处理和硬度标尺之间的换算，比较各材料之间的硬度大小，同时了解材料的种类、热处理状态对其硬度的影响。
二、实验原理
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应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变形抗力。
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（如强度指标及塑性指标）之间有一定的内在联系，所以从某种意思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。
布氏硬度试验是将一直径为D的淬火钢球或硬质合金球，在规定的试验力F作用下压入被测金属表面，保持一定时间t后卸除试验力，并测量出试样表面的压痕直径d，根据所选择的试验力F、球体直径D及所测得的压痕直径d的数值，求出被测金属的布氏硬度值HBS或HBW，布氏硬度的测试原理如图1-1所示。
在实验测量时，可由测出的压痕直径d直接查
图1-1布氏硬度的测试原理图
压痕直径与布氏硬度对照表而得到所测的布氏硬度值。
在进行布氏硬度试验时，球体直径D、施加的试验力F和试验力的保持时间t都应根据被测金属的种类、硬度范围和试样的厚度范围进行选择。
布氏硬度试验规范如表1-1所示。
布氏硬度试验测出的硬度值比较准确，但它不宜测定成品件或薄片金属的硬度。
同时，也不能测定硬度高于450HBS或650HBW的金属材料，否则压头（淬火钢球或硬质合金球）会产生塑性变形或破裂，而降低测量的精度。
表1-1布氏硬度试验规范
金属类型
布氏硬度值范围（HBS）
试样厚度
/㎜
载荷F与钢球直径D的相互关系
钢球直径D
/㎜
载荷F
/kgf
载荷保持时间t/s
黑
色
金
属
140～450
6～3
F=30D
10
3000
10
4～2
5
750
＜2
2.5
187.5
＜140
﹥6
F=10D
10
1000
10
6～3
5
250
3＜
2.5
62.5
有
色
金
属
﹥130
6～3
F=30D
10
3000
30
4～2
5
750
＜2
2.5
187.5
36～130
9～6
F=10D
10
1000
30
6～3
5
250
3
2.5
62.5
8～35
﹥6
F=2.5D
10
250
60
6～3
5
62.5
3
2.5
15.6
洛氏硬度试验是以锥角为120°的金刚石圆锥体或者直径为1.588mm的淬火钢球为压头，在规定的初载荷和主载荷作用下压入被测金属的表面，然后卸除主载荷。
在保留初载荷的情况下，测出由主载荷所引起的残余压入深度h值，如图1-2所示。
再由h值确定洛
图1-2洛氏硬度实验原理示意图
氏硬度值HR的大小，其计算公式如下：
HR=K-
式中h的单位为mm。
K为常数，当采用金刚石圆锥压头时，K=100；当采用淬火钢球压头时，K=130。
为了能用同一硬度计测定从极软到极硬材料的硬度，可以通过采用不同的压头和载荷，组成15种不同的洛氏硬度标尺，其中最常用的有HRA、HRB、HRC三种。
其试验规范如表1-2所示。
表1-2三种常用洛氏硬度的试验规范
符号
压头类型
载荷/kgf
硬度值有效范围
使用范围
HRA
120°金刚石圆锥体
60（600N）
70～85
适用于测量硬质合金、表面淬火层或渗碳层
HRB
直径为1.588㎜的淬火钢球
100（1000N）
25～100
适用于测量有色金属、退火钢、正火钢等
HRC
120°金刚石圆锥体
150（1500N）
20～67
适用于测量调质钢、淬火钢等
三、实验设备及材料
1、HB-3000型布氏硬度试验机
HB-3000型布氏硬度计的结构如图1-3所示。
试验时将试样放在工作台6上，按顺时针方向转动手轮9，使工作台上升至试样与压头5相接触，并在手轮打滑后，开动电动机12，经二级蜗轮蜗杆减速器13减速后，驱动轴柄15沿逆时针方向转动，此时压头即可以由砝码18通过大杠杆19、小杠杆1及压轴3的作用，以一定大小的载荷压入试样。
停留一定时间后，电动机自动反转，曲柄连杆带动摇杆上升而卸除载荷。
在关闭电动机后，反时针方向转动手轮，使工作台下降并取下试样。
最后用读数显微镜测出压痕直径d值，根据d值的大小查表即可求得布氏硬度值。
1—小杠杆2—弹簧3—压轴4—主轴衬套5—压头6—工作台
7—工作台立柱8—螺杆9—升降手轮10—螺母11—套筒12—电机
13—减速器14—压紧螺钉15—轴柄16—按钮开关17—换向开关18—砝码
19—大杠杆20—吊环21—加荷指示灯22—机体23—电源开关
图1-3HB-3000型布氏硬度计简图
2、JC—10型读数显微镜
⒈JC-10型读数显微镜的组成与结构
JC-10型读数显微镜的结构如图4-17所示。
图4-17JC-10型读数显微镜的结构
读数显微镜由测微目镜组、物镜筒1、长镜筒2、镜筒底座3所组成。
长镜筒靠镜筒锁紧螺丝20与镜筒套合座19连接。
在测微目镜组中，在目镜的焦面上固定不动地装着刻有从0到6毫米标尺的分划板4，一格的分划值为1毫米。
分划板的刻线面朝下，就在这个下平面上，在允许的间隙内，装着第二块玻璃分划板5，在其朝向目镜的上平面上刻有互为直角的二根长丝。
分划板5坚实地与分划板座6连接，下分划板座6可以沿读数鼓轮的测微螺丝7的轴心移动。
下分划板6的移动平滑性由精致的滑板8、滑板槽9、拉力弹簧10、测微螺丝7与固定的读数指示套11内的开口螺帽12的良好配合来保证。
当以顺时针方向旋转读数鼓轮时，测微螺丝7使下分划板座6带动下分划板5向前移动；当以逆时针方向旋动读数鼓轮时，拉力弹簧10则向后拉回下分划板座6连同下分划板5。
读数鼓轮的测微螺丝的螺距为1mm，而不动的上分划板4的分划值也等于1毫米，所以读数鼓轮转动一周，下分划板5上的长线就相对上分划板移动一格。
这样根据不动的上分划板便可以读出读数鼓轮的整转来。
读数鼓轮分成100个格，而测微螺丝的螺距等于1mm，因而，读数鼓轮转动一格便为0.01mm，全部读数等于上分划板上的读数加上读数鼓轮上的读数。
⒉JC-10型读数显微镜的使用方法
将仪器置于被测物体上，使被测物件的被测部分用自然光或用灯光照明，然后调节目镜螺旋，使视场中同时看清分划板和物体象。
进行测量时，先旋动读数鼓轮，使刻有长丝的玻璃分划板移动，同时稍微转动读数显微镜，使竖直长丝与被测圆孔压痕的一边相切，得到一个读数，然后再旋动读数鼓轮，使竖直长丝与被测圆孔压痕的另一边相切，又得到一个读数，二者之差即为被测圆孔压痕的直径。
3、HRS－150型数显洛氏硬度计
本硬度计由主机及微型打印机两大部分组成（见图1-5）主机由机身、主轴部件、负荷杠杆部件、加卸荷机构、变荷机构、试台升降装置及以单片机为核心的电气控制系统等组成。
主机与微型打印机由一根灰缆线来连接。
主机结构功能简图中机身2为一封闭的壳体。
除试台、升降装置和变荷机构外，其它部件均置于壳体内，因此外形美观，便于保持清洁。
主轴部件由负荷轴34、压头轴40、小杠杆39、初负荷弹簧33、位移传感器37等组成：
98.07N（10Kgf）的初试验力是由压头轴等零件的自重及位移传感器通过小杠杆对压头的作用力加上初负荷弹簧的变形力等构成。
其中以初负荷弹簧的作用力为主。
主试验力则由吊杆16上的砝码19、20、21通过大杠杆31、负荷螺杆35等组成并施加到压头上。
压痕深度的测量由小杠杆39、位移传感器37及机身中的计数电路来实现。
加卸荷机构由偏心轮15、推动轴14、加卸荷电机30等组成。
加荷时由电机带动偏心轮转动，促使推动轴、大杠杆缓慢下降，主试验力就逐渐施加到压头上。
卸荷时电机带动偏心轮继续转动，将推动轴、大杠杆顶起，使之回到初始位置，主试验力就被卸除。
变荷机构由变荷柄22、托叉18等组成。
通过转动变荷手柄，使托叉托住相应的砝码销17，从而达到变荷的目的。
试台升降装置由试台8、丝杠7、升降手轮4、电磁制动器3等组成。
试验时，转动升降手轮，通过丝杠带动试台及试样达到上升或下降的目的。
主机的前面板上设有二个按键，一个键盘和二个显示窗口，用来实现予置、标尺转换、复位等功能，面板上的四位数码管用于显示予置输入情况及硬度试验时的工作状态，面板
上的五位数码管用于显示洛氏硬度值、打印机用于打印有关的予置信息、硬度值及数据处理结果。
1.打印机2.机身3.电磁制动器4.升降手轮5.油杯6.丝杠保护套7.丝杠8.小平试台
9.螺钉10.丝杠垫块11.前盖12.薄膜面板13.吊轴14.推动轴15.偏心轮16.吊杆
17.砝码销18.托叉19、20、21.砝码22.变荷手柄23.侧面板24.保险丝盒
25.电源插头盖26.后27.接地螺钉28.打印机插头座29.杠杆垫块30.加卸荷电机31.大杠杆
32.上盖33.初负荷弹簧34.负荷轴35.负荷螺钉36.螺钉37.位移传感器38.垫片39.小杠杆
40.压头轴41.防松销2.压头43.指示灯
图1-5HRS－150型数显硬度计结构简图
在主机侧面板上设有四个按键和一个接口，包括电源、打印、自动半自动转换、手动加荷和一个外接打印机接口，用来实现测力、打印等有关功能。
七个按键的功能是：
POWER键——电源开关键。
按下为开，同时灯泡点亮，抬起为关，同时灯泡熄灭。
PRINT键——打印机开关键。
按下为开，同时灯泡点亮，抬起为关，同时灯泡熄灭。
当它被按下时打印机上的红色指示灯亮。
SET键——予置键。
按下此键再按复位键电气系统进入予置状态，抬起时电气系统进入工作状态，可进行硬度试验及测力等。
AUTO/MAN键——“自动／手动”选择键。
抬起时为“自动”，用于硬度试验，按下时为“手动”用于试验力的测定（详见后述）。
LOAD键——手动加荷键。
它与“手动”功能配合使用，用于测力。
当硬度计处于“手动”状态且将压头主轴顶起到规定位置时，按一下该键，硬度计自动完成一次加荷——保荷——卸荷工作。
键——硬度标尺选择键。
抬起时为A或C标尺，按下时为B标尺。
RST键——复位键。
用于计算机系统的复位，按下它，硬度值显示板显示100.0，同时电控箱中原来用键盘予置的数据全部清零。
控制键盘的功能是：
A键——
（1）用于予置试验日期。
（2）在前面板的显示板上出现“HC—”后可用于予置A、C标尺和B标尺，此时若按A或C则为A或C标尺，按B则为B标尺，不按默认C标尺。
B键一一
（1）用于予置零件批号。
（2）在前面板显示窗上出现“HC—”后也可用于予置B标尺。
C键——
（1）用于予置每个零件的有效打印点数。
（2）在前面板的显示窗上出现“HC—”后也可用于予置C标尺。
D键——用于予置试验力保持时间。
E键——用于予置硬度上限。
F键——用于予置硬度下限。
0~9键——用于予置数字。
4、试样：
①Φ20×15mm45钢和T12钢，淬火＋回火状态；②6.5mm厚的铝板和4mm厚的铜板。
四、硬度测量的具体操作步骤
一、洛氏硬度测量的具体操作步骤
1、清理试样表面，使被测表面无油脂、氧化皮、裂纹、凹坑、显著的加工痕迹以及其它外来污物等。
2、根据被测材料的种类、热处理状态等选择适宜的硬度标尺。
3、根据试样的形状和大小选择合适的工作台。
4、在硬度试验前应根据是否使用打印机等，将主机上的七个按键设置到需要的状态。
工作过程显示窗口显示“OP”，表示硬度计已进入硬度试验状态，即可进行硬度试验。
5、将试样放在工作台上，顺时针转动升降手轮4，使试样缓慢地接触压头，使硬度值显示窗口显示的数值由“100.0”逐渐增加，当显示数大于或等于“365.0”时，电磁制动器3自动锁紧升降手轮4，初试验力即施加完毕。
6、等待硬度计自动完成加主载、保压、卸主载等测量过程。
7、读取硬度值后，逆时针转动升降手轮4，降下工作台。
8、移动试件选择新的试验点进行试验，一般情况下每个试样的第一点应删除，而且每个试样的有效点数应不小于3个，两压痕中心及任一压痕离边缘的距离均不得小于3毫米，移动试件重复上述的操作步骤。
进行第二、三……点的试验，
9、试验完毕后，关掉电源。
二、布氏硬度测量的具体操作步骤
1、清理试样表面，被测表面应是无氧化皮等污物的光洁平面，以便于准确测量压痕直径d的值。
2、根据试验材料类别、硬度范围及试样厚度，按照布氏硬度试验规范选择试验力F、F/D值和试验力保持时间t。
3、将试样平稳地放在工作台上，顺时针转动工作台升降手轮，使试样和球体压头相接触，直到手轮和升降螺母产生相对运动时为止
4、打开电源开关，待电源指示灯亮后，再启动按钮开关，当加荷指示灯明亮时，表示试验力开始加上，即开始自动定时，达到预定的试验力保持时间后，加荷指示灯熄灭，试验力自动卸除。
5、关闭电源，反时针方向转动手轮9，使工作台下降，取下试样，用读数显微镜测量试样表面的压痕直径d（在两个相互垂直的方向上各测一次，取其平均值）。
6、根据压痕直径d，查布氏硬度表求得各试样的布氏硬度值。
7、为了使试样结果精确化，可进行多次测量，并且相邻两压痕的中心距离应不小于压痕直径的2.5倍；当布氏硬度小于35HBS时，上述距离应不小于压痕直径的6倍和3倍；压痕直径d的大小应在0.25D～0.60D范围内。
8、试验完毕后，关掉电源。
五、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、测定硬度值，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，严禁与试样或其他物件碰撞。
7、应根据硬度试验机试样范围，按规定合理使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。
六、实验特点
该实验项目的特色在于它的综合性和应用性。
培养学生利用已学过的材料力学性能方面的基础知识，对给定材料选择合适的硬度测定方法进行材料的硬度测定。
通过数据处理和硬度标尺之间的换算，比较各材料之间的硬度大小，同时了解材料的种类、热处理状态对其硬度的影响。
加强学生对硬度指标的理解和应用，初步建立材料的成分、热处理状态、硬度测定方法的选择之间的关系，以加强对学生实际应用能力的培养。
七、实验内容及要求
1、按照仪器的操作规程，测定铜板、铝板的布氏硬度，并进行相应的数据处理，得出最终结果。
2、按照仪器的操作规程，测定碳钢的洛氏硬度，并将硬度换算成布氏硬度，进行对比分析。
3、认真完成思考题
1、简述两种硬度的测试原理。
附实验结果记录参考表1
布氏硬度测定数据记录表
试样序号
材料名称
试验规范
实验结果
球
体
直
径
D/mm
试
验
力
F
/kg.f
F/D2
试验力保持时间/s
第一次
第二次
平均硬度值
HBS
压痕直径d/mm
平均值
HBS
压痕直径d/mm
平均值
HBS
d1
d2
d平均
d1
d2
d平均
附实验结果记录参考表2
洛氏硬度测定数据记录表
试样序号
材料名称
试验规范
测定结果
换算成布氏硬度值/HBS
硬度标尺
压头类型
载
荷
/kgf
第一次
第二次
第三次
平均值
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