工程材料与机制造基础实验指导书.doc

工程材料与机械制造基础实验讲义 实验一 硬度试验 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、落氏硬度计（机）的主要结构及操作方法。 二、实验原理 硬度是衡量金属材料软硬的一个指标。 硬度值的物理意义随着实验方法的不同，其含义也不同。例如压入法硬度值是材料表面抵抗另一物体压入时所应起的塑性变形能力；刻划硬度表示金属抵抗表面局部破裂的能力；而回跳法硬度值是代表金属弹性变形功的大小。因此，硬度值实际上不是一个单纯的物理量，它是表征材料的弹性、塑性、变形强化率，强度和韧性等一系列不同物理量组合的一种综合性指标。一般可以认为，金属材料的硬度是指金属表面上不大体积内抵抗变形和破裂的能力。由于硬度实验方法比较简单一，不破坏材料内部且能敏感的反映材料的质量高低和热处理相变过程的结果；其次，硬度与强度之间可根据大量实验数据，找出粗略的换算式，而且，硬度与切削性、成型性及可焊性等工艺性能之间也存在着某些联系，因此可作为选择加工工艺时的参考。所以在实际生产中，硬度试验作为一种简便实用的手段得到广泛的应用。 硬度实验方法可分为压入法、刻划法及反弹法，其中应用最为广泛的是压入法。压入法中根据加荷速度不同，有分静负荷压入法和动负荷压入法两种。在生产中使用最广的是静负荷压入法硬度试验，即洛氏硬度、布氏硬度、维氏硬度等。 本实验以介绍洛氏硬度、布氏硬度为主。 （一）、洛氏硬度（HR） 1、原理 洛氏硬度试验是目前应用最广的实验方法。它以压痕深度来确定材料的硬度值指标。洛氏硬度试验原理可见图1。 图1 洛氏硬度原理 洛氏硬度试验所用压头有两种：一种是锥顶角为120o的金刚石圆锥，另一种是直径为1/16（1.588mm）或1/8（3.1176mm)的淬火钢球。根据金属材料软硬程度不一，可选用HRA、HRB和HRC等不同标尺。 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与试样表面接触良好，以保证测量结果准确。图1中0-0位置为未加载前的压头位置。1-1位置为加上10kgf预载荷后的位置，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包括有加载所引起的弹性变形和塑性变形。卸除主载荷后，由于弹性变形恢复而稍提高到3-3位，此时压头的实际压入深度为h3。洛氏硬度就是以主载荷所引起的产于压入深度（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，而软的金属值大的现象，这与习惯的认识方法相矛盾。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）。 洛氏硬度值的计算公式如下： 式中：h1——预加载压入试样的深度（mm） h3——卸除主载荷后压入试样的深度（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)。 2、测定洛氏硬度的技术要求 a、根据被测金属材料的硬度高低，选定压头和载荷。 b、试样表面应平整光洁，不得有氧化皮或油污以及明显的加工痕迹。 c、试样厚度应不小于压入深度的10倍。 d、两相邻压痕迹压痕离试样边缘距离均不小于3mm。 （二）、布氏硬度（HB） 1、原理 试验室施加一定大小的载荷p，将直径为D的淬火钢球或硬质合金球压入被测金属表面（如图2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后求出平均应力值，以此作为硬度值的指标，并用符号HB表示。 其计算公式如下： (1-1) 式中：HB——布氏硬度 P——载荷（kgf） F0——压痕面积（mm2） 根据压痕面积和球面之比等与压痕深度（h）和球的直径之比的集合关系，可求出压痕部分的（球）面积为： (1-2) 图2 布氏硬度原理 由于测量压痕直径d要比测定压痕深度h容易，故将（1-2）式中h该换成d来表示，且： (1-3) 将式(1-2)和(1-3)带入式(1-1)即得： (1-4) 式中只有d是变量，故只需测出压痕直径d，根据已知D和P值就可计算出HB值。在实际测量中也可测出的压痕直径d并直接查表得到HB值。 由于金属材料有软有硬，工件有薄有厚，有大有小，如果只采用一种标准的负荷P和钢球直径D,就会出现若对应的材料合适，而对软的材料就会发生钢球陷入金属材料内的现象；若对厚的的材料合适，而对薄的材料就可能发生压透的现象，因此在生产中进行布氏硬度试验时，要求能使不同大小的负荷P和钢球直径D。问题在于对同一种材料当采用不同的P和D进行试验时，能否