硬度测量实验报告.doc

硬度测量实验报告
一、实验目的
1. 了解常用硬度测量原理及方法；
2. 了解布氏和洛氏硬度的测量范围及其测量步骤和方法；
二、实验设备
洛氏硬度计、布洛维硬度计、轴承、试块
三、 实验原理
1. 硬度是表示材料性能的指标之一，通常指的是一种材料抵抗另一较硬的具有一定形状和尺寸的物体（金刚石压头或钢球）压入其表面的阻力。由于硬度试验简单易行，又无损于零件，因此在生产和科研中应用十分广泛。常用的硬度试验方法有：洛氏硬度计，主要用于金属材料热处理后的产品性能检验。布氏硬度计，应用于黑色、有色金属材料检验，也可测一般退火、正火后试件的硬度。
2. 洛氏硬度
洛氏硬度测量法是最常用的硬度试验方法之一。它是用压头(金刚石圆锥或淬火钢球)在载荷(包括预载荷和主载荷)作用下，压入材料的塑性变形浓度来表示的。通常压入材料的深度越大，材料越软；压入的浓度越小，材料越硬。下图表示了洛氏硬度的测量原理。

图： 未加载荷，压头未接触试件时的位置。
2-1：压头在预载荷P0(98.1N)作用下压入试件深度为h0时的位置。h0包括预载所相起的弹形变形和塑性变形。
2-2：加主载荷P1后，压头在总载荷P= P0+ P1的作用下压入试件的位置。
2-3：去除主载荷P1后但仍保留预载荷P0时压头的位置，压头压入试样的深度为h1。由于P1所产生的弹性变形被消除，所以压头位置提高了h，此时压头受主载荷作用实际压入的浓度为h= h1- h0。实际代表主载P1造成的塑性变形深度。
h值越大，说明试件越软，h值越小，说明试件越硬。为了适应人们习惯上数值越大硬度越高的概念，人为规定，用一常数K减去压痕深度h的数值来表示硬度的高低。并规定0.002mm为一个洛氏硬度单位，用符号HR表示，则洛氏硬度值为：

3.布氏硬度
布氏硬度的测定原理是用一定大小的试验力F(N)把直径为D（mm）的淬火钢球或硬质合金球压入被测金属的表面，保持规定时间后卸除试验力，用读数显微镜测出压痕平均直径d(mm)，然后按公式求出布氏硬度HB值，或者根据 d从已备好的布氏硬度表中查出HB值。 测量范围为8~650HBW 　

由于金属材料有硬有软，被测工件有厚有薄，有大有小，如果只采用一种标准的试验力F和压头直径D，就会出现对某些工件和材料的不适应的现象。因此，在生产中进行布氏硬度试验时，要求能使用不同大小的试验力和压头直径，对于同一种材料采用不同的F和D进行试验时，能否得到同一的布氏硬度值，关键在于压痕几何形状的相似，即可建立F和D的某种选配关系，以保证布氏硬度的不变性。 特点：一般来说，布氏硬度值越小，材料越软，其压痕直径越大；反之，布氏硬度值越 大，材料越硬，其压痕直径越小。布氏硬度测量的优点是具有较高的测量精度，压痕面积大，能在较大范围内反映材料的平均硬度，测得的硬度值也较准确，数据重复性强。
四、 实验内容
1. 测量滚动轴承表面洛氏硬度值
使用洛氏硬度计对轴承外圈进行硬度测定，记录相关测量数据：

加载力（kgf）= 1471 N

硬度值测定
平均值
测量次数
第一次
第二次
第三次
HRC
61.9
61.2
62.6
61.9
2. 测量试块表面布氏硬度值
在布洛维硬度计上，使档位调至布氏硬度测定档，试块进行表面硬度测定，记录相关测定数据：
加载力（kgf） = 980 N

凹痕直径（mm）
平均值（mm）
测定次数
第一次
第二次
第三次
X方向
254.9
251.2
250.1
252.1
Y方向
256.3
244.6
250.5
250.5
(D=2.5 mm ; d=读数差×0.004)
五、 思考题
1. 测量硬度前为什么要进行打磨？
答：测试样品与工作台的接触面不平。按照国家标准GB/T 230.1-2004，洛氏硬度值=100-h/0.002，式中h为洛氏硬度计压头压入样品的深度，也就是说每0.002毫米或2微米代表1HRC硬度单位，因此被测试样品与工作台接触面的平整度将对测试结果产生极大的影响。当试样底面不平时，载荷完全施加时只要试样因为不平整而导致轻微的偏转，就可能使压头多向下移动几个微米，测试结果就可能引起1-5HRC的误差，甚至更大。因此，测试前被测样品的底面必须用机械加工（如磨床）或手工方法（如砂纸打磨）磨平，以减小测试误差。

2. HRC、HB和HV的试验原理有何异同?
答：1.布氏硬度(HB) 以一定的载荷(一般3000kg)把一定大小(直径一般为10mm)的淬硬钢球压入材料表面，保持一段时间，去载后，负荷与其压痕面积之比值，即为布氏硬度值(HB)，单位为公斤力/mm2 (N/mm2)。 2.洛氏硬度(HR) 当HB>450或者试样过小时，不能采用布氏硬度试验而改用洛氏硬度计量。它是用一个顶角120°的金刚石圆锥体或直径为1.59、3.18mm的钢球，在一定载荷下压入被测材料表面，由压痕的深度求出材料的硬度。根据试验材料硬度的不同，分三种不同的标度来表示： HRA：是采用60kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度极高的材料(如硬质合金等)。 HRB：是采用100kg载荷和直径1.58mm淬硬的钢球，求得的硬度，用于硬度较低的材料(如退火钢、铸铁等)。 HRC：是采用150kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高的材料(如淬火钢等)。 3 维氏硬度(HV) 以120kg以内的载荷和顶角为136°的金刚石方形锥压入器压入材料表面，用材料压痕凹坑的表面积除以载荷值，即为维氏硬度HV值(kgf/mm2)。

3. HRC、HB和HV各有什么优缺点？各自适用范围是什么？举例说明HRC、HB和HV适用于哪些材料及工艺？
答：布氏硬度（HB）适用于退火正火钢，压痕大，适用于硬度不均匀材料，不适用于薄料。硬度值应在有效测量范围内（HRC为20-70）为有效；布氏硬度计多用于原材料和半成品的检测，由于压痕较大一般不用于成品检测。一般HBS只适用于450N/mm2(MPa)以下的金属材料，对于较硬的钢或较薄材料不适用；维氏硬度适用于较大工件和较深表面层的硬度测定，小负荷维氏硬度试验负荷1.961~<49.03N，它适用于较薄工件、工具表面或镀层的硬度测定；显微维氏硬度试验负荷<1.961N，适用于金属箔、极薄表面层的硬度测定。