實(shí)驗(yàn)一 金屬材料的硬度實(shí)驗(yàn)

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1、實(shí)驗(yàn)一、金屬材料的硬度實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解硬度測(cè)定的基本原理及應(yīng)用范圍。2.了解洛氏硬度試驗(yàn)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)及操作方法。二、實(shí)驗(yàn)原理硬度是金屬材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力或金屬材料表面抵抗局部塑性變形的能力。硬度測(cè)量能夠給出金屬材料軟硬程度的數(shù)量概念。硬度值越高，表明金屬抵抗塑性變形的能力越大，材料產(chǎn)生塑性變形就越困難。另外硬度與其他機(jī)械性能（如強(qiáng)度指標(biāo)σb及塑性指標(biāo)ψ和δ）之間有著一定的內(nèi)在聯(lián)系【低碳鋼σb≈0.36HB，高碳鋼σb≈0.34HB，合金調(diào)質(zhì)鋼σb≈0.36HB，灰鑄鐵σb≈0.1HB】。所以從某種意義上說硬度的大小對(duì)于機(jī)械零件或工具的使用性能及壽命具有決定性意義。測(cè)量

2、硬度的方法主要有壓入法、回跳法和刻劃法三大類：①壓入硬度：主要用于金屬材料，方法是用一定的載荷將規(guī)定的壓頭壓入被測(cè)材料，以材料表面局部塑性變形的大小比較被測(cè)材料的軟硬。由于壓頭、載荷以及載荷持續(xù)時(shí)間的不同，壓入硬度主要有布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度和顯微硬度等幾種。布氏硬度洛氏硬度維氏硬度顯微硬度測(cè)試材料較軟（有色金屬、熱處理之前或退火后的鋼鐵）硬質(zhì)合金、有色金屬、調(diào)質(zhì)鋼等（1）較大工件，較深表面層（P=10～1000N）；（2）較薄工件、工具表面或鍍層（P=1.961～49.03N）（3）金屬箔類（P<1.961N，顯微硬度）合金中不同相、表面硬化層、化學(xué)熱處理滲層、鍍層及金屬箔材原理淬

3、火鋼球（HBS，適用HB<450）或硬質(zhì)合金球（HBW,適用450≤HB≤650）壓入被測(cè)材料表面，一段時(shí)間后卸荷。測(cè)定壓痕深度來表示材料的硬度值同布氏硬度，但壓頭不是球體，采用夾角為136o的四棱錐體金剛石壓頭同維氏硬度，(P=0.01~0.2kgf)公式HBS(HBW)=P/AHR=（k-h）/0.002Hv=0.102F/A=18.173×P/d2示意圖儀器②回跳硬度：主要用于金屬材料，方法是使用一特制的小錘從一定高度自由下落沖擊被測(cè)材料的試樣，并以試樣在沖擊過程中的儲(chǔ)存（繼而釋放）應(yīng)變能的多少（通過小錘的回跳高度測(cè)定）確定材料的硬度。③劃痕硬度：主要用于比較不同礦物的軟硬程度，方法

4、是使用一端硬一端軟的棒，將被測(cè)材料沿棒表面劃過，根據(jù)出現(xiàn)劃痕的位置確定被測(cè)材料的軟硬。定性地說，硬物體劃出的劃痕長(zhǎng)，軟物體劃出的劃痕短。在機(jī)械工業(yè)中廣泛采用壓入法來測(cè)定硬度。壓入法硬度試驗(yàn)的主要特點(diǎn)是：實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)力狀態(tài)最軟（即最大切應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大正應(yīng)力），因而不論是塑性材料還是脆性材料均能發(fā)生塑性變形。金屬的硬度與強(qiáng)度指標(biāo)之間存在如下近似關(guān)系：σb=K×HBσb：材料的抗拉強(qiáng)度值；HB：布氏硬度值；K：系數(shù)退火狀態(tài)的碳鋼K＝0.34~0.36合金調(diào)質(zhì)鋼K＝0.33~0.35有色金屬合金K＝0.33~0.53硬度值對(duì)材料的耐磨性、疲勞強(qiáng)度等性能也有一定的參考價(jià)值，通常硬度值高，這些性能也就好

5、。在機(jī)械零件設(shè)計(jì)圖紙上對(duì)機(jī)械性能的技術(shù)要求，往往只標(biāo)注硬度值，其原因就在于此。硬度測(cè)量后由于僅在金屬表面局部體積內(nèi)產(chǎn)生很小壓痕，并不損壞零件，因而適合于成品檢驗(yàn)。莫氏硬度筆（對(duì)應(yīng)材料鑲嵌在筆頭）：表示礦物硬度的一種標(biāo)準(zhǔn)。1824年由德國(guó)礦物學(xué)家莫斯(FrederichMohs)首先提出。應(yīng)用劃痕法將棱錐形金剛鉆針刻劃所試礦物的表面而發(fā)生劃痕,習(xí)慣上礦物學(xué)或?qū)毷瘜W(xué)上都是用莫氏硬度。用測(cè)得的劃痕的深度分十級(jí)來表示硬度：1滑石(Talc)（硬度最小），2石膏(Gypsum)，3方解石(Calcite)，4螢石(Fluorite)，5磷灰石(Apatite)，6正長(zhǎng)石(Feldspar;Ortho

6、clase;Periclase)，7石英(quartz)，8黃玉(topaz)，9剛玉(corundum)，10金剛石(diamond)。1.洛氏硬度測(cè)試法（1）洛氏硬度試驗(yàn)的基本原理洛氏硬度測(cè)試法是目前應(yīng)用最廣泛的硬度試驗(yàn)方法。洛氏硬度試驗(yàn)的原理和布氏的不同在于：它不是以測(cè)量壓痕的面積來計(jì)算硬度，而是根據(jù)壓痕深度來確定硬度值指標(biāo)。一般洛氏硬度機(jī)不需要直接測(cè)量壓痕深度，其值可由刻度盤上的指針指示出來（或液晶顯示屏顯示）。洛氏硬度測(cè)定時(shí)，在規(guī)定條件下，將壓頭（頂角為120°的金剛石圓錐或直徑為1/16"（1.588mm）的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球）分兩個(gè)步驟壓入試樣表面。卸除主試驗(yàn)力后，在初試驗(yàn)

7、力下測(cè)量壓痕殘余深度h，然后根據(jù)壓痕的深度確定被測(cè)金屬材料硬度值的方法稱為洛氏硬度測(cè)試法，具體過程如下：圖1洛氏硬度試驗(yàn)原理圖圖1中0-0位置為未加載荷時(shí)的壓頭位置，1-1位置為加上10Kgf預(yù)加載荷后的位置，此時(shí)壓入深度為h1，2-2位置為加上主載荷后的位置，此時(shí)壓入深度為h2，h2包括由加載所引起的彈性變形和塑性變形，卸除主載荷后，由于彈性變形恢復(fù)而稍提高到3-3位置，此時(shí)壓頭的實(shí)際壓入深度為h3。洛氏硬度就是以主載