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主讲教师：. 金属材料. 硬度测定. 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. 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。 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的产品硬度检验。 维氏硬度试验 — 主要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。

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  1. 主讲教师： 金属材料 硬度测定

  2. 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。

  3. 二、实验原理 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。 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的产品硬度检验。 • 维氏硬度试验—主要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。

  4. 1．布氏硬度 • 布氏硬度试验是施加一定大小的载荷P，将直径为D的钢球压入被测金属表面(如图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F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=P/F凹 1 式中： HB——布氏硬度；P——施加外力，N；F凹——压痕面积，mm2。

  5. 根据压痕面积和球面之比等于压痕深度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：根据压痕面积和球面之比等于压痕深度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： F凹=πDh 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2中的h改换成d来表示，这样可以根据几何关系求出 3

  6. 4 将式(2)和式(3)代入式(1)即得： 当试验力是P的单位是N时： 式中的d是变数，故只需测出压痕直径d，根据已知D和P值就可以计算出HB值。在实际测量时，可由压痕直径d直接查表得到HB值。 5

  7. 由于金属材料有硬有软，所测工件有厚有薄，若只采用同一种载荷(如29400N)和同一个钢球直径(如D=10mm)时，则对有些试样合适，而对另一些试样可能不合适，会发生整个钢球陷入金属中的现象；若对于厚的试样合适，则对于薄的试样可能会出现压透的可能。所以在测定不同的材料布氏硬度值时要求有不同载荷P和不同直径D的钢球。为了得到统一的可以进行相互比较的数值，必须使D和P之间维持某一比值关系，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Φ保 持不变。根据相似原理，由图1中可知d和Φ的关系是：

  8. 以此代入式4得： 式6说明，当Φ值为常数时，为使HB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载荷和钢球直径，只要能满足P/D2=常数，所得到的HB值是一样的。对不同的材料来说，得到的HB值也可以进行比较。按照国标的规定，P/D2比值有30、10和2.5三种，具体布氏硬度试验规范和适用范围可以参考表1。 6

  9. 2．洛氏硬度 • 洛氏硬度试验常用的压头为圆锥角α=120°、顶部曲率半径为0.2mm的金刚石圆锥体或直径D=1.588mm的淬火钢球。试验时(图2)，先对试样施加初试验力F0，在金属表面得一压痕深度h0，以此作为测量压痕深度的基线。随后再加上主试验力F1，此时压痕深度的增量为h1。金属在F1作用下产生的总变形h1中包括弹性变形和塑性变形。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。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值愈大表明金属洛氏硬度愈低；反之，则表示硬度愈高。

  10. 为了照顾习惯上数值愈大硬度愈高的概念，故用一个常数k减去e来表示洛氏硬度值，并以符号HR表示，即：为了照顾习惯上数值愈大硬度愈高的概念，故用一个常数k减去e来表示洛氏硬度值，并以符号HR表示，即： HR=k-e 7 • 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，并按式7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。

  11. 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。每一种标尺用一个字母在HR后注明。我国最常用的标尺有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2。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。每一种标尺用一个字母在HR后注明。我国最常用的标尺有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2。

  12. 3．维氏硬度 • 维氏硬度的试验原理与布氏硬度相同，也是根据压痕单位面积所承受的试验力来表示维氏硬度值。所不同的是维氏硬度用的压头不是球体而是两对面夹角α=136°的金刚石四棱锥体。压头在试验力F(单位是kgf或N)作用下，将试样表面压一个四棱锥形压痕，经规定时间保持载荷之后，卸除试验力，由读数显微镜测出压痕对角线平均长度d 8

  13. 式中d1和d2分别是两个不同方向的对角线长度，用以计算压痕的表面积。所以维氏硬度值(HV)就是试验力P除以压痕表面积F所得的商。当试验力P为kgf(9.8N)时计算公式如下：式中d1和d2分别是两个不同方向的对角线长度，用以计算压痕的表面积。所以维氏硬度值(HV)就是试验力P除以压痕表面积F所得的商。当试验力P为kgf(9.8N)时计算公式如下： 当试验力P为N时计算公式如下： 9 10

  14. 与布氏硬度一样，维氏硬度值也不标注单位。维氏硬度值的表示方法是：在HV前书写硬度值，HV后按顺序用数字表示试验条件(试验力/试验力保持时间，保持时间为10-15s者不标)。例如640HV30/20表示用30kgf(294N)试验力保持20s测定的维氏硬度值为640。如果试验力为1kgf(9.8N)，试验加载保持时间10-15s，测得的硬度值为560，则可表示为560HV1。与布氏硬度一样，维氏硬度值也不标注单位。维氏硬度值的表示方法是：在HV前书写硬度值，HV后按顺序用数字表示试验条件(试验力/试验力保持时间，保持时间为10-15s者不标)。例如640HV30/20表示用30kgf(294N)试验力保持20s测定的维氏硬度值为640。如果试验力为1kgf(9.8N)，试验加载保持时间10-15s，测得的硬度值为560，则可表示为560HV1。

  15. 维氏硬度试验的试验力为5(49)-100(980)kgf(N)，小负荷维氏硬度试验的试验力为0.2(1.96)-<5(49)kgf(N)，可根据试样材料的硬度范围和厚度来选择。其选择原则应保证试验后压痕深度h小于试样厚度(或表面层厚度)的1/10。维氏硬度试验的试验力为5(49)-100(980)kgf(N)，小负荷维氏硬度试验的试验力为0.2(1.96)-<5(49)kgf(N)，可根据试样材料的硬度范围和厚度来选择。其选择原则应保证试验后压痕深度h小于试样厚度(或表面层厚度)的1/10。 • 在一般情况下，建议选用试验力30kgf(294N)。当被测金属试样组织较粗大时，也可选用较大试验力。但当材料硬度≥500HV时，不宜选用大试验力，以免损坏压头。试样力的保持时间，黑色金属10-15s，有色金属30±2s。

  16. 4．显微硬度 • 金属显微硬度试验原理与宏观维氏硬度试验法完全相同。只不过所用试验力比小负荷维氏硬度试验力试验时还要小，通常在0.01-0.2kgf(0.098-1.96N)范围内。所得压痕对角线也只有几微米至几十微米。因此，显微硬度是研究金属微观组织性能的重要手段。常用于测定合金中不同的相、表面硬化层、化学热处理渗层、镀层及金属箔等的显微硬度。

  17. 金属显微硬度的符号、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。金属显微硬度试验的试验力，分为0.01(9.8×10-2)、0.02(0.196)、0.05(0.49)、0.1(0.98)及0.2(1.96) kgf(N)等五级，尽可能选用较大的试验力进行试验。

  18. 三、实验设备及材料 • 1．硬度计：布氏、洛氏、维氏及显微硬度计。 • 2．读数显微镜：最小分度值为0.01mm。 • 3．标准硬度块：不同硬度试验方法的标准硬度 块。 • 4. 材料：20、45、T8、T12钢退火态、正火态、 淬火态及回火态试样，2024、7075、6063退火 态及时效态试样，尺寸为Φ20×10mm。

  19. 四、实验步骤与方法 • 1．了解各种硬度计的构造、原理、使用方法、 操作规程和安全注意事项。 • 2．对各种试样选择合适的试验方法和仪器，确 定实验条件。根据实验和试样条件选择压 头、载荷(砝码)。 • 3．用标准硬度块校验硬度计。校验的硬度值不 应超过标准硬度块硬度值的±3%(布氏)或± (1%-1.5%)(洛氏)。

  20. 4．试样支撑面、工作台和压头表面应清洁。试4．试样支撑面、工作台和压头表面应清洁。试 样平稳地放在工作台上，保证试验加载过程 中不发生移动和翘曲，试验力平稳地加在试 样上，不得造成冲击和震动，施力方向与试 样表面垂直。保持载荷规定的时间(对布氏、 维氏硬度，卸去载荷后用读数显微镜测量压 痕尺寸，计算或查表)，卸去载荷准确地记录 试验数据。

  21. 五、实验注意事项 • 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，以免影响测量。 • 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。

  22. 4．测完硬度值，卸掉载荷后，必须使压头完全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．金刚石压头系贵重物件，质硬而脆，使用时 要小心谨慎，严禁与试样或其他物件碰撞。 • 6．应根据硬度试验机的使用范围，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。

  23. 六、实验报告要求 • 1．简述布氏硬度和洛氏硬度的试验原理、优缺 点及应用。 • 2．设计实验表格，将试验数据填入表内，对结 果进行分析并进行必要的硬度值换算。 • 3．分析用布氏硬度试验方法能否直接测量成品 或较薄的工件。

  24. Thank You !

  25. 图1 布氏硬度的实验原理 图2 洛氏硬度的试验原理

  26. 表1 布氏硬度试验规范

  27. 表2 各种洛氏硬度值的符号、试验条件和应用

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