1、材料力學性能實驗指導書（材料成型及控制工程專業）張學萍沈陽理工大學二零一二年三月目錄實驗一 硬度實驗材料力學性能這門課的實驗是該課的重要組成部分，是該理論課的基礎，正 確地掌握實驗的理論和方法，對提高學生的動手能力、分析問題和解決問題的能力有 重要意義。編寫本實驗指導書，是根據材料力學性能教學大綱及教材的有關內容、又根 據我院設備、儀器實際情況編寫的，這樣，與教材的內容相一致，便于安排實驗教學。 本實驗指導書適用于：材料成型及控制工程專業編者2012 年 3 月實驗一硬度實驗一、實驗目的1. 掌握洛氏、布氏硬度的基本原理及測試方法。2. 根據材料的性質正確選擇硬度計類型及壓入條件。3. 熟悉各

2、種硬度值之間的換算。二、實驗內容用洛氏硬度計測定試樣熱處理前后的硬度；用布氏硬度計測定45剛退火后的硬度。三、概述硬度試驗操作簡便，對工件損傷小，可在零件上直接測試，故在生產實踐中應用很 普遍。硬度所表征的不是一個確定的物理量，它是衡量材料軟硬程度的一種性能指標。硬度值的意義隨試驗方法而不同。硬度試驗基本上可分為壓入法和刻劃法。對于以壓入 法進行的硬度試驗，其硬度值是表示材料抵抗另一物體壓入其表面的能力，洛氏、布 氏和維氏硬度都屬于壓入法硬度試驗。（一） 洛氏硬度試驗法。1洛氏硬度是以壓痕的深度來表示 材料的硬度值。圖1-1為洛氏硬度試驗 原理圖。測試洛氏硬度時，用規定的壓頭， 先后施加兩個負

3、荷：預負荷 Fo和主負 荷F1。總負荷F= F0+F1。圖1-1中， 0-0位置為未加負荷時的壓頭位置；1-1圖1-1洛氏硬度試驗原理位置為施加10kg預負荷后的位置，壓 入深度為h1； 2-2位置為加上主負荷后 的位置，此時壓入深度為h2； 3-3位置為卸除主負荷后由于彈性變形的恢復而 使壓頭略微提高的位置，此時壓頭的實際壓入深度為h3。由主負荷引起的殘余壓入深度h=h3-h1，用此來衡量金屬硬度值的大小。若直接用h來表示硬度，則會出現硬的金屬硬度值小，而軟的金屬硬度值反而大的現象。不符常規。為了適宜人們認為數值愈大硬度值愈高的習慣概念，人為規定，用一常數K減去h來表示硬度的太小，并規定每0

4、.002mm為一個洛氏硬度單位。因此，洛氏硬度值的計算公式可寫成：HRK hj0.002式中：hi預加負荷壓入試樣的深度 (mm)；h3卸除主負荷后壓人試樣的深度(mm)；K 一常數。A 和 C 標尺 K=0.2mm， B 標尺 K=0.26mm。因此，洛氏硬度值的計算公式還可以寫成：h3 h1HRC （或HRA ）=100310.002h3 - hiHRB =130-0.002試驗時，可選用不同的壓頭和不同的主負荷，洛氏硬度標尺也隨之變化。表1-1為各種洛氏標尺及試驗條件。表1-1各種洛氏標尺及實驗條件標廠符頭 總負荷(號 荷(公斤力7金剛石120。圓錐鋼球1/16 鋼球1/8 ”鋼球1/4

5、 ”鋼球1/2 ”160AFHLR100DBEMS150CGKPV表1-1中最常用的是 HRA、HRB、HRC等三種。表1-2為這三種洛氏硬度標尺的試驗條件和應用。表1-2三種洛氏硬度標尺的試驗條件和應用洛氏 硬度 值測 量范圍HR標尺壓頭形狀預負 荷 （公 斤 力）主負 荷 （公 斤 力）總負 荷（公 斤 力）符號大致相 當的維 氏硬度 值表盤 上刻 度的 顏色應用20-67C金剛石120圓錐10140150HRC240-900里八、碳鋼、工具鋼及合金 鋼等淬火 和回火后 的硬度25-100B1/16 鋼球1090100HRB60-240紅有色金屬 及合金退 火鍋等低 硬度零件 的硬度70-

6、85A金剛石120圓錐105060HRA390-900里八、碳化物、硬 質合金及 表面硬化零件等2.洛氏硬度計的操作規程洛氏硬度計由機體、加荷機構、測深機構和壓頭等組成。1）根據試樣的材質、形狀和尺寸選擇壓頭、負荷，并安裝到位；2）試樣平放在載物臺上，將壓頭對準試樣表面待測部位；3）順時針轉動載物臺升降手柄使試樣接觸壓頭，繼續轉動手柄使百分表的小指針指向紅點，這表明預負荷已加完，此時要求大指針不偏離刻度盤零點犬個刻度；4）轉動刻度盤使其零點對準大指針；5） 扳動加荷手柄施加主負荷，施荷時聞46秒，然后平穩地把手柄扳回到卸荷6）從刻度盤的相應標尺讀出指針所指的硬度值；7）逆時針旋轉手輪，取出試樣

7、，測試完畢。測試洛氏硬度時應注意： 為保證試驗結果的精度，試樣表面應平整、無油污、無氧化皮及凹坑等；試樣3mm。的厚度不應小于壓痕深度的10倍。 兩相鄰壓痕中心距離及壓痕中心至試樣邊緣距離均不得小于 洛氏硬度試驗如在圓柱或球形表面進行時，應對試驗結果加以校正。校正值可 通過下列計算公式求得：對圓柱面：100-HRC “ -HRC =610D對球面: ：HRC 七100HRC 10D式中： HRC 應加上的校正值;HRC球面或圓柱面的硬度;D球或圓柱的直徑。 試樣的安裝必須保證壓頭所施加的作用力垂直于待測面，對于彎曲及其他不規 則形狀的試樣，必須采用相應的專用工作臺。如對圓柱式樣須用V形工作臺;

8、 每個試樣的試驗次數不應少于兩次，取其平均值。（二）布氏硬度試驗法布氏硬度與材料其他的機械性能關系密切，尤其是與抗拉強度極限存在近似的換 算關系：ob=KHB （其中K為常數，不同的材料有不同的K值），這在生產中有很重要的意義。1 布氏硬度的測試原理圖1 2為布氏硬度測試原理圖。 用一定大小的負荷 P（公斤力）,把直徑力D （mm） 的淬火鋼球壓人被測試樣的表面，保持一定時間后卸除負荷。測量試樣表面壓痕的直 徑d,計算出布氏硬度值，用符號HB表示。該值的大小就是試樣表面壓痕單位面積上 所承受的壓力。即:HB 二 P/F 二 P/二Dh =2P7D （ D . D2 -d2） kg / m2m式

9、中：D鋼球直徑（mm）;P試驗負荷（有3000; 1000; 750; 250等）;d壓痕直徑（mm）。圖1-2布氏硬度測試原理圖圖1-3壓痕相似原理由于金屬材料軟硬不一，薄厚不同，若只采用一種標準負荷P和鋼球直徑D，就會出現這種現象：若對硬的材料合適，對軟的材料就可能使鋼球陷入材料內；若對厚 的材料適用，對薄的材料就可能壓透。因此，實際進行布氏硬度試驗時，要求選用不 同的負荷P和鋼球直徑 D。但對于同一種材料采用不同的P和D進行試驗，能否得到相同的布氏硬度值， 關鍵在于壓痕的幾何形狀是否相似。圖1-3表示兩個不同直徑 的壓頭Di和D 2在不同載荷Pi和P2作用下，壓入金屬表面的情況。有圖可得

10、出：<Pd=Dsin d = Dsin 2即:HBPD22-(1-.1 - si n 2 /2)由上式可看出，假若壓入角不變時，為使同一材料的HB值相同，還應保持P /D2 也為常數。國標GB231 63中規定布氏硬度試驗時 P/D2的比值為30、10、2.5三種。根據金 屬材料種類，試樣硬度范圍和厚度的不同按表1 3選擇P、D及加荷時間。表1-3布氏硬度試驗的規范金屬 類型布氏硬度值（HB）試樣厚度（伽）負荷P與 鋼球直徑 D的關系鋼球直徑（伽）負荷P（血）負荷保持 時間（s）6-3103000140-4504-2P=30D2575010黑色V 22.5187.5金屬> 6101

11、000V 1406-3P=10D2525010V 32.562.56-3103000金剛石120°24-2P=30D575030圓錐130V 22.5187.59-3101000有色2金屬36-1306-3P=10D525030V 32.562.5> 6102508-356-3P=2.5D2562.530V 32.515.62布氏硬度的表示方法：例如用 D=10mm , P=3000kg，負荷保持時間為10秒時所 測得的硬度值為 280,則表示為 HB280。在其它條件下測得的 HB值應注以相應的試 驗條件，例如 HB 5/250/30100，表示D=5mm， P=250kg，

12、負荷保持時間為 30秒的條件下 測得的HB值為100。3布氏硬度計的操作規程（以HB 3000B型為例）布氏硬度計由機體、工作臺、加荷機構、換向開關系統（電子控制系統）和壓入 頭等部分組成。1）根據材料選擇負荷、壓入頭及施荷時間；2）把載物臺、負荷、壓入頭裝好；3）首先打開開關，接通電源，此時電源指示燈亮。實驗力選擇好后，按動實驗力保持時間按鈕（12秒、30秒或60秒）4）將試樣放到載物臺上，順時針轉動手輪使載物臺緩緩上升，試樣與壓頭接觸直至手輪與螺母產生相對滑動，按動啟動按鈕，硬度計即可自動完成一個工作循環。5）試驗結束后，轉動手輪，取下試樣，用讀數顯微鏡測量試樣表面的壓痕直徑。6）根據壓痕

13、直徑、負荷大小、鋼球直徑查硬度換算表或用公式計算均可得出布氏 硬度值。附表1 -5列出布氏硬度試驗中壓痕直徑與硬度值之間的關系。4布氏硬度試驗中的注意事項1）試樣表面應光滑、無氧化皮和污物；2）試樣的厚度應不小于壓痕深度的10倍；3）相鄰壓痕中心距離不小于壓痕直徑的四倍，壓痕中心距試樣邊緣的距離應不小 于壓痕直徑的2.5倍；4）壓痕直徑應在0.25D<d<0.6D范圍內，否則試驗結果無效；5）只可用來測定硬度小于 HB450的金屬材料。2 2H 二 P/F = 1.8544P / d（kg/mm ）兩次測量的算術平均值，即為此壓痕對角線長度。根據已得出的壓痕對角線的長度和所用的試驗

14、力，在維氏硬度值換算表中查出硬度值，取下試件，即完成一次試驗。（四）各種硬度間的換算附表1-7中列出布氏、洛氏和維氏硬度間的換算。洛氏硬度和布氏硬度之間有一 定的換算關系。對鋼鐵材料而言，HBa2HRB HB20HRC （只當HRC=40 =60范圍）四、實驗儀器、設備及材料HRS-150型洛氏硬度計；HR-150A型洛氏硬度計；HB-3000B型布氏硬度計讀數顯微鏡。45鋼退火件；45鋼或T10鋼淬火件；紗布等。五、實驗步驟1分組熟悉各種硬度計的構造及操作方法。2用砂紙打磨試樣的表面3進行硬度測定，洛氏硬度(HRB、HRC )每個試樣測三點，取平均值并記錄在 下表中；，布氏硬度(HB )每個

15、試樣測兩點，然后用讀數顯微鏡測試樣表面的壓痕直 徑，測得結果查表1-5確定試樣的硬度值，取兩點的平均值并記錄在下表中。洛氏硬度項目試樣實驗規范實驗結果換算成 布氏硬 度HB壓頭主載何kg硬度標尺第一次第二次第三次平均值45鋼淬火45鋼退火布氏硬度項樣實驗規范實驗結果換算洛氏值鋼球直徑D (mm)王載 荷(kg)P/D2施荷 停留 時間 (S)第一次第二次平 均 值HBHRC壓痕直 徑 d(mm)HB壓痕直 徑 d(mm)HB30鋼退火六、實驗報告要求1認真填寫實驗內容、實驗目的、實驗儀器、設備及材料、布氏、洛氏硬度計的 測定原理、實驗步驟；2填好上述二表；3選擇下列三種材料所用的硬度計類型(要

16、全面)及壓入條件：1）60 鋼淬火件；（2） 20 鋼淬火后高溫回火（調質處理） ；（3）20 鋼退火件；（ 4）鋁合金；4.認真回答思考題。七、實驗成績評定 按照實驗指導書的具體要求，根據每個學生實驗前的預習情況、實驗過程中操作情況及實驗報告的質量，綜合給出實驗成績。附表1-5壓痕直徑與布氏硬度對照表在下列載荷P(kgjJ；T莊癟貢徑i 離序鎭荷恥1 z.otfT"5 gHi 芫擰；1DD2 |:.?ir爲0；:曲:tar*- 丁斗. 孫，| iOD2.84-tirM.;9工 2 9 6 3 Q 7 4 2 9 石 4 2 9 7 5 3 i 6 6 6 Ti o C 6 9 3

17、3 6 心憐16.廿話二a扛掃門存出“監皿監F9鋁防腐S.4R.2Li上一上 9 7 6 5 5 5 5 5 7 8 9 O 2 4 6 9 4 6 O 3 7 -./ 6726362度59煤阪55.5453.51.5049淞47464544曲42414140獨18.3737.迢蟲35,3433+泳迄佇.30芬402 刃5563.65.707580務9095O0C5I01520公J0.35觀.455055ho657D75sos5.&5加 444444 4 4 44/ *71-444535.5 5 555 5 55.5.5.35.5.5.5.5.5.勒 4_3J033 4 5 7 9 2

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19、2 24 2 r 1 2 上 21 2 3 3J.3 3 3 m 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 m 子 3 4 44.4,4.4.(GB231-63 )中規定的數據。注：1.本表摘自國家標準金屬布氏硬度試驗法2.表中壓痕直徑 D=10mm鋼球的試驗數據，如用D=5mm或D=2.5mm鋼球試驗時，則所得壓痕直徑應分別增加到2倍或4倍。例如用D=5mm鋼球在750kgf載荷下所得的壓痕直徑為 1.65mm, 則在查表時采用1.65 >2=3.30mm ,而其相應硬度值為 341。附表1-7各種硬度（布氏、洛氏、維氏）換算表HBi&ynn諸氏靈度1捱氏硬度HV|菲氏理度| J®UrtQED落氏BE度!建氏連度HVHRAHRCHIUHRCS3.965如（旳血3754783.364332(63-5)36338$2啟£3323