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金属力学性能实验 硬度实验 一、实验目的 正确掌握三种硬度(布氏、洛氏、维氏)的测试原理，主要规范 及测试方法，要求能正确地测定各种材料的硬度值。 培养正确选择硬度试验法的能力。 熟悉三种硬度计（布氏硬度计、洛氏硬度计、维氏硬度计）的操作规程，并一般了解其主要结构、特点及工作原理。 二、实验内容 1、 参考三种硬度试验法的特点对所给试验 材料正确地选择一种或两种适当的硬度试验方法。 2、 对每种试验材料根据所给定的硬度试验法正确选择试验规范并分别测定其硬度值。 3、 分析和讨论试验结果。 三、基本概念及测试原理1.金属布氏硬度试验方法(GB/ T 231-2002) 布氏硬度的测试原理如图所示，采用一定直径D的淬硬钢球或硬质合金球，在规定负荷P的作用下压入被测金属表面，经规定保荷时间后卸除负荷，在被测金属表面留下一球冠状压痕，测量试样表面压痕的直径d即能算出压痕面积F，然后以压痕单位面积上所承受的负荷表示金属的布氏硬度值，其符号用HB表示，(压头为钢球时用HBS，压头为硬质舍金球时用HBW)，[注：布氏硬度超过350时，钢球和硬质合金球得到的试验结果明显不同。]其值可用下述公式计算： 式中：P— 施加的负荷(kgf或N/mm2)； 　　F— 压痕表面积(㎜2)； 　　 D— 球体直径(㎜)； 　h— 压痕深度(㎜)； d— 试样表面压痕直径(㎜) 因此，只要测出试样表面的压痕直径，就可利用上式计算或查表得到HB值。 为了使硬度值与所选择的负荷无关，该负荷下所产生的试样表面压痕直径d 满足：0.24D＜d＜0.6D 由于被测金属软硬不同，试件厚薄及大小不同，所产生的压痕又必须满足0.25DdO.6D，若采用一种负荷P和一种直径D的球体压头，是不能满足试验要求的，因此往往要求能使用不同大小的负荷P和球体直径D进行试验。这时，对同一种材料能否得到同一的布氏硬值，对于不同材料所得之结果能否相互进行比较，其关键在于压痕的几何形状是否相似，这就是布氏硬度试验中的压痕几何形状相似原理。根据压痕几何形状相似原理可知，为了使同一种材料使用不同的P和D能得到相同的布氏硬度值，必须满足： 即：（常数）;K=30；15；10；5；2；1.25 1、当实验条件允许时，应尽量选用10mm球。 2、当有关标准中设有明确规定时，应使用元括号的P／D2值。 压痕直径应从两个垂直方向测量，并取其算术平均值。压痕两直径之差应不超过较小直径的2％。用直径为10毫米的球体进行试验时，压痕直径的测量应精确到0.02mm,用2．5毫米球体时则应达到O.01毫米. 布氏硬度值表示方法： 例如：120HBS10/1000/30，表示用直径10mm钢球压头，在1000kgf(9.807kN）试验力作用下保持30秒，测得的布氏硬度值为120 。 例如： 500HBW5/750表示用5mm硬质合金球压头，在750kgf (7.355kN）试验力作用下保持10秒，测得的布氏硬度值为500 。 2、金属洛氏硬度试验方法 洛氏硬度试验法：以压头压入被测金属表面的深度的大小来表示材料的软硬。 其压头采用120度的金刚石锥体或直径为1.588mm(1/16寸)的淬硬钢球。 上图(a）表示压头在初负荷步加上主负荷P0作用下压入被测金属表面，深度为h。；图(b）表示进一步加上主负荷P1，使压头在总负荷P＝P。十P1的作用下压入被测金属，压入深度h1；然后卸去主负荷P1，保留初负荷P。，这时压头压入被测金属表面的深度将由于材料弹性变形的恢复而发生变化，压入深度为h2，图(c）所示。　　由上图 可见h2－h0=e,e即为主负荷P1作用下的残余压入深度，此深度被用来衡量材料的软硬，但如果直接用e 值代表硬度值，那么材料越软，得到的e 值越大，即硬度值越高，这与习惯不符，因此测量硬度值时人为规定用一常数k减去残余压深度e，用所得能差值代表材料的硬度值，并规定每0.002mm作为一个洛氏硬度单位，并用符号HR表示洛氏硬度值，洛氏硬度值的计算为： 3、维氏硬度试验法（GB/T 434O.1-1999） 　维氏硬度的测定原理基本上与布氏硬度相同，也是用压痕单位面积上所承受的负荷来表示材料的硬度值。与布氏硬度不同的是维氏硬度试验的压头不是钢球，而是金刚石的正四棱锥体。维氏硬度试验原理和压头形状如下图。 负荷P可在0.5～120kgf范围内根据试祥的大小和厚薄及其它条件进行选择，国标（GB/T 434O.1-1999）规定采用的负荷力5、10、20、30、50、100kfg等六级。施加负荷的时间为2~8秒，总负荷的保持时间黑色金属为10～15秒，有色金属为30±2秒。 试样厚度应不小于其压痕对角线的1.5