金属材料硬度实验测定实验

一、实验目的

(1)了解硬度测定的基本原理及常用硬度试验法的应用范围。

(2)学会正确使用硬度计。

二、实验设备

（1）布氏硬度计

（2）读数放大镜

（3）洛氏硬度计

（4）硬度试块若干

（5）铁碳合金退火试样若干（ф20×10mm的工业纯铁，20，45，60，T8，T12等）。

（6）ф20×10mm的 20，45，60，T8，T12钢退火态，正火态，淬火及回火态的试样。

三、实验内容

1、概述

硬度是指材料抵抗另一较硬的物体压入表面抵抗塑性变形的一种能力，是重要的力学性能指标之一。与其它力学性能相比，硬度实验简单易行，又无损于工件，因此在工业生产中被广泛应用。常用的硬度试验方法有：

布氏硬度试验――主要用于黑色、有色金属原材料检验，也可用于退火、正火钢铁零件的硬度测定。

洛氏硬度试验——主要用于金属材料热处理后产品性能检验。

维氏硬度试验——用于薄板材或金属表层的硬度测定，以及较精确的硬度测定。 显微硬度试验——主要用于测定金属材料的显微组织组分或相组分的硬度。 2、实验内容及方法指导

（1）布氏硬度试验测定。

（2）洛氏硬度试验测定。

（3）试验方法指导。

3、实验注意事项

（1）试样两端要平行，表面要平整，若有油污或氧化皮，可用砂纸打磨，以免影响测定。

（2）圆柱形试样应放在带有“V”形槽的工作台上操作，以防试样滚动。

（3）加载时应细心操作，以免损坏压头。

（4）测完硬度值，卸掉载荷后，必须使压头完全离开试样后再取下试样。

（5）金刚钻压头系贵重物品，资硬而脆，使用时要小心谨慎，严禁与试样或其它物件碰撞。

（6）应根据硬度实验机的使用范围，按规定合理选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。

四、实验步骤

1、布氏硬度 试验

布氏硬度试验是用载荷P把直径为D的淬火钢球压人试件表面，并保持一定时间，而后卸除载荷，测量钢球在试样表面上所压出的压痕直径d，从而计算出压痕球面积A，然后再计算出单位面积所受的力（P/A值），用此数字表示试件的硬度值，即为布氏硬度，用符号HB表示。

设压痕深度为h，则压痕的球面积为

A=πDh=πD

试中 P——施加的载荷，kg；

D——压头（钢球）直径 mm；

A——压痕面积，mm；

d——压痕直径，mm。

2、洛氏硬度试验

洛氏硬度试验是用特殊的压头（金刚石压头或钢球压头）在先后施加的两个载荷（预载荷和总载荷）的作用下压入金属表面来进行的。总载荷P为预载荷P0和主要载荷P1之和，即

P= P0+ P1

洛氏硬度值是施加总载荷P并卸除主载荷P1引起的残余压入深度e来计算。 用h0表示在预载荷P0作用下，压头压入被试材料的深度；h1表示施加总载荷P并卸除主载荷P1，但仍保留预载荷P0时，压头压入被试材料的深度。

深度差e= h1+ h0，该值用来表示被测材料硬度的高低。在实际应用中，为了使硬材料测出的硬度值比软材料的硬度值高，并符合一般的习惯，将被测材料的硬度值用公式加以适当变换，即

HR=K-(h1-h0)/C

试中 K――常数，其值在采用金刚石压头时为0.2，采用钢球压头时为0.26； C——常数，代表指示器读数盘每一刻度相当于压头压入被测材料的深度，其值为0.002mm;

HR——标注洛氏硬度的符号，当采用金刚石压头及150 kg的总载荷时应标注HRC，当采用钢球压头及100kg，总载荷试验时，则应标注HRB。 2

HR值为一无名数，测量时可直接由硬度计表盘读出，表盘上有红﹑黑两种刻度，红线刻度的30和黑线刻度的0相重合。

学生分成若干组，利用备好的硬度试块或试样，在硬度计上测定其相应硬度值，使之学会硬度计的使用方法。

五、实验 报告书

（1）简述布氏和洛氏硬度试验原理。

（2）测定碳钢（20﹑45﹑60﹑T8﹑T12）退火试样的布氏硬度值（HBS）。

（3）测定碳钢（45﹑T8﹑T12）正火及淬火试样的洛氏硬度值（HRC）。

（4）测定45钢调质试样的洛氏硬度值（HRC）。

第二篇：金属硬度试验

金属硬度试验

金属的硬度，是金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形，压痕或划痕的能力，是衡量金属材料软硬程度的一种指标。

根据受力的方式，硬度试验方法一般可分为压入法和刻画法两种。在压入法中按加力速度不同又可分成静力试验法和动力试验法，其中以静力试验法应用最为普遍，常用的布氏硬度。洛氏硬度，和维氏硬度等均属于静力试验法。而肖氏硬度，里氏硬度（弹性回跳法）和锤击布氏硬度等则属于动力试验法。

布氏硬度试验

试验原理

试验时。用一定直径的硬质合金球施加规定的试验力压入试样表面，经规定保持时间后，卸除试验力，测量试样表面压痕直径求得压痕球形表面积，布氏硬度值HBW是试验力除以压痕球形表面积所得的商在乘以0.102. 布氏硬度值一般不标出单位。

布氏硬度表示方法：

当压头为硬质合金球时用符号HBW标示（新标准）[以前曾使用过钢球用HBS标示]

HBW 之前书写的硬度值，符号后面依次表示球体直径，试验力，及试验保持时间，当试验保持时间在10~15s时不标注。

例如：350HBW5/750 表示用直径为5mm的硬质合金球在7.355KN(750kgf)试验力作用下，保持10~15s测得的布氏硬度值为350.

120HBW10/100/1000/30

表示用直径10mm的硬质合金球在9.807KN(1000kgf)力的作用下保持30s测得的布氏硬度值是120

试验时为了得到准确的试验结果，使压痕直径d限定在0.24~0.60D之间否则试验结果无效。实践表明，当压痕直径在上述范围内时，试验力的变化对布氏硬度值不会产生太大影响，而在d=0.375D条件下最理想。

试样及试验设备

试样

试样的试验面应是光滑的平面，不应有氧化皮及外界污物，试样表面应能保证压痕能精确测量，表面粗糙度参数，Ra一般不大于1.6μm。

试样坯料可采用各种冷热加工方法从原材料或几件上截取，试样的试验面和支承面可采用不同的机械方法加工。两平面应保证平行。试样在制备过程中，应尽量避免由于受热及冷热加工等对试样表面硬度的影响。

试样的厚度至少应为压痕深度的8倍，压痕深度h和按试验后试样背面应无可见变形和痕迹 在GB/T231.1-2002金属布氏硬度试验第一部分试验方法 试验标准附录中A中给出力试样最小厚度与压痕平均直径的关系表。可直接查出试样的最小厚度。

试验设备

不是硬度计是测量布氏硬度的精密计量仪器。尽管布氏硬度种类较多。构造各异。但必须符合GB/231.2-2002金属布氏硬度试验 第二部分 硬度计的校验与标准。 规定的要求。

布氏硬度测量的各级试验力的误差均应在GB/T231.1-2002规定的试验力标称值的±1%以内。硬质合金请硬度不低于1500HV10 。球体直径10mm时，允差为±0.005mm球体直径为5mm时允差为±0.004mm。球体直径为2.5mm时允差为±0.003mm

压痕测量装置的标尺的标尺分度应能估测到压痕直径的±0.5%以内。

硬度计示值重复性和示值应符合表4-1的规定表中d为5个压痕直径的总平均值H 为标准硬度块的标定硬度值

标准硬度块/HBW 示值重复性的最大允许值mm 示值无擦的最大允许值%相对H ≤125 0.030d ±3

125＜HBW≤225 0.025d ±2.5

＞225 0.020d ±2

硬度计应由国家计量部门定期检定

使用者对布氏硬度计的日常检查方法按照GB/T231.1附录C的规定要求进行。

试验操作的要点

试验温度

试验一般在10~35℃室温下进行。对温度要求较严格的试验，应控制在23±5℃进行 试样的支承

试样支承面，压头表面积试验台面应清洁，试样应稳固地放在试验台面上。保证在试验过程不产生倾斜、位移计绕曲。加力时，试验力作用方向应与试验面垂直，对于不规则的工件试样，应根据其特殊形状，制作合适的试样支持台，支承台应具备足够的支撑钢性。 压头直径的确定

试验时，首先根据试样尺寸来确定球压直径，试样尺寸应包含两方面，一是试样的厚度尺寸，二是，试样的被侧平面尺寸，当试样尺寸允许是，应优选直径D为10mm球压头进行试验。以便能够较真实反映金属平均硬度和减小压痕的测量误差。

对于铸铁材料的试验，压球直径一般不小于2.5mm。

试验标准中规定了10mm、5mm、2.5mm和1mm；4种直径的球压头，只是以最大限度地满足较小较薄试样的试验要求，从而扩大了布氏硬度试验的应用范围。

在常规布氏硬度试验中试样尺寸往往都比较富裕，一般均能满足10mm球压头试验，如原直径10mm的改做直径5mm，为了满足压痕几何形状相似，当改变压头直径时，应保持原F/D2 这一比率不变，只有在F/D2 不变条件下，且采用较小直径的压头测得较浅压痕深度，使得试样厚度能满足，才可与同一材料采用其它压头直径试验结果进行比较，这就是相似原理的实际应用。

试验力的选择

试验力的选择应保证压痕直径在0.24D—0.60D之间

试验力---压头球径平方的比率0.102F/D2 应根据材料和硬度值选择，一般较硬的材料应选择较大的比率值。

如有一铸铁材料采用10mm直径压头，采用F/D2 比率为30的试验力，为29.42KN(3000kgf)，当试验结果硬度低于140HBW时按表4-2 规定要求应改变F/D?的比率值，以F/D?为10选择试验力为9.807KN(1000kgf)从而保证硬度较低的材料其压痕直径也在规定范围内。 试验加力及试验力保持时间

使压头与试样表面接触，无冲击和震动地垂直于试样表面施加试验力，直至达到规定试验力值，从力开始施加完全部试验力的时间应在2~8s之间，试验力保持时间为10~15s对于要求试验力保持时间较长的材料，试验力保持时间允许误差为±2s。

试验力保持时间是指从试样承受全部试验力瞬间至开始卸载试验力所经历的时间。 压痕间距

当对一些较小截面试样和一件试样上测得多点硬度值时，压痕中心距试样边缘的距离和压痕间的距离均要满足试样标准规定的最小距离要求

任意压痕中心距试样边缘距离至少为压痕平均直径的2.5倍，两相邻压痕中心距离至少为压痕平均直径的3倍。

试验结果处理

试验后，应检查试样背面，若发现试样背面出现变形痕迹，则试验结果无效，压痕直径应在

0.24D---0.60D之间。

在读数显微镜或其他测量装置上测得压痕直径时，应在两个相互垂直的方向测量，用两个读数的平均值计算布氏硬度，，或按照标准附录B中查得布氏硬度值。

计算布氏硬度值或计算三点布氏硬度平均值大于或等于100时修约至整数，等于或大于10至小于100时，修约至一位小数，小于10时修约至两位小数。

试验报告

试验报告一般应包括所采用的国家标准编号，相关试样的详细资料，试验温度，试验结果。不在本标准规定之内的操作和影响试验结果的各种细节等内容。

试验时应注意材料的各向异性，例如经过大变形量冷加工，这样压痕直径在不同方向能有较大的差异。

应用范围及优缺点

布氏硬度适用于退火、正火、状态的钢件。铸铁、有色金属，及其合金特别对软金属，如铝、铅、锡等更为适宜。

由于布氏硬度试验时采用的较大直径球体压头，所得压痕面积较大。因而测得的硬度值反映金属在较大范围内的平均性能，由于压痕较大，所测得数据稳定，重复性强。

布氏硬度的缺点是对不同的材料需要更换压头和改变试验力，压痕直径侧量也比较麻烦。