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文檔簡介

1、 專業(yè)實驗十:布洛維硬度試驗講義一、實驗?zāi)康恼莆詹悸寰S硬度的基本原理;熟悉布洛維硬度測量的基本方法和步驟;了解各種硬度試驗方法的特點、應(yīng)用范圍及選用原則;熟悉硬度計的使用。二、預(yù)習(xí)要求實驗前預(yù)習(xí)實驗原理,撰寫預(yù)習(xí)報告。三、儀器設(shè)備布洛維光學(xué)硬度計四、布洛維硬度實驗原理(一)金屬布氏硬度實驗原理布氏硬度試驗的原理是用一定直徑D(單位為mm)的硬質(zhì)合金球,施以相應(yīng)的試驗力F(單位為kgf或N)壓入試樣表面(圖1a),經(jīng)規(guī)定保持時間t(單位為s)后卸除試驗力,試樣表面將殘留壓痕(圖1b)測量壓痕平均直徑d(單位為mm),求得壓痕球形表面積S(mm2)。布氏硬度值(HB)就是試驗力F除以壓痕球形表面積

2、S所得的商。其計算公式如下:當(dāng)試驗力F的單位為kgf時HB=f=(1)S兀D(D-;D2-d2)當(dāng)試驗力F的單位為N時0.204F(2)HB0.102F=S通常布氏硬度值不標(biāo)出單位。1r丿圖1布氏硬度試驗原理圖a)鋼球壓入試樣表面b)試樣表面殘留壓痕布氏硬度的符號用HBW表示。符號HBW之前書寫硬度值,符號后面按下列順序用數(shù)值表示試驗條件:球體直徑(mm)/試驗力(以Kgf表示)/試驗力保持時間(1015s不標(biāo)注)。例如,350HBw10/1000/30表示用直徑為10mm的硬質(zhì)合金球在1000Kgf(9.807kN)試驗力作用下,保持30s測得布氏硬度為350。又如,600HBW1/30即表

3、示用直徑為1mm的硬質(zhì)合金球在了30kgf以(294.2N)試驗力作用下,保持1015s測得的布氏硬度值為600。圖2壓痕相似原理5IE對于材料相同而厚薄不同的工件,為了測得相同的布氏硬度值,在選配壓頭直徑D及試驗力F時,應(yīng)保證得到幾何相似的壓痕(即壓痕的壓入角保持不變),如圖2所示。為此,應(yīng)使:-F-=F=-F=常數(shù)附表1為不同條件下的實驗力。實驗力及球體直徑的選擇實驗力的選擇應(yīng)保證壓痕直徑d在0.240.6D之間。實驗力一壓頭直徑平方的比率(0.102F/D2)應(yīng)根據(jù)材料和硬度值選擇,見附表2。球體直徑D規(guī)定有四種:10、5、2.5和1mm。主要根據(jù)試樣厚度來選擇。為了反映試樣盡量大面積上

4、的硬度值,應(yīng)在試樣厚度允許的前提下,盡量選擇大直徑球體壓頭進(jìn)行實驗。試樣厚度至少為壓痕深度的8倍。附表3列出壓頭直徑(D)、壓痕平均直徑(d)與試樣最小厚度(mm)的關(guān)系,可用于根據(jù)試樣厚度選擇壓頭直徑,也可用于確定試樣最小厚度。F/D2比值規(guī)定有六種:30、15、10、5、2.5和1。主要根據(jù)試樣的材料及其硬度范圍,按照表12來選擇。當(dāng)球體直徑D及F/D2比值確定后)試驗力F也就隨之被確定了。試驗力保持時間t的選擇試驗力保持時間因試樣材料的硬度而不同。對于黑色金屬為1015s;對于有色金屬為302s;對于35HBS的材料為602s。實驗一般在10-35C室溫進(jìn)行。實驗期間,硬度計不應(yīng)受到影響

5、實驗結(jié)果的沖擊和震動。試樣應(yīng)放置在剛性支撐物上,試樣背面和支撐物之間應(yīng)保持清潔。任一壓痕中心距試樣邊緣的距離至少為壓痕平均直徑的2.5倍。兩相鄰壓痕中心間距離至少為壓痕直徑的3倍。應(yīng)在兩相互垂直的方向測量壓痕直徑,用兩讀數(shù)的平均值計算硬度值。金屬維氏硬度實驗原理維氏硬度的試驗原理與布氏硬度類似,也是根據(jù)壓痕單位面積所承受的試驗力來計算硬度值。所不同的是維氏硬度試驗的壓頭不是球體而是兩對面夾角a為136。的金剛石四棱錐體。其試驗原理如圖3所示。壓頭在試驗力F(單位為kgf或N)作用下,將試樣表面壓出一個四方錐形的壓痕,經(jīng)規(guī)定保持時間后,卸除試驗力,測量出壓痕對角線平均長度dd=(di+d2)/2

6、L用以計算壓痕的表面積。維氏硬度值(HV)就是試驗力F除以壓痕表面積S所得的商值。計算公式如下:當(dāng)試驗力下的單位為kgf時HV=f=2FSin(136。/2)Sd2d2(3)當(dāng)試驗力下的單位為N時HV=0.102F=0.204FSin(136。/2)=0.1891_F_Sd2d2與布氏硬度值一樣,維氏硬度值也不標(biāo)注單位。維氏硬度值的表示方法是:在HV前書寫硬度值,HV后面按順序用數(shù)字表示試驗條件(試驗力/試驗力保持時間)(保持時間為1015s者不標(biāo)注)。例如,640Hv30表示用30kgf(294.2N)試驗力保持10-15s測得的維氏硬度值為640,640Hv30/20表示用30kgf(29

7、4.2N)試驗力保持20s測得的維氏硬度值為640。維氏硬度試驗的試驗力為5(49.03)、10(98.07)、20(196.1)、30(294.2)、50(490.3)和100(980.7)kgf(N)六個檔次。特殊情況下也可使用大于100kgf的載荷。實驗力可根據(jù)試樣材料的硬度及厚度來選擇。試樣和試樣厚度至少應(yīng)為壓痕對角線長度的1.5倍(見附表4)。實驗一般在10-35C室溫進(jìn)行。實驗力保壓時間為1015s,對于特殊材料,保壓時間可以延長,但是誤差應(yīng)該保持在土2s之內(nèi)。在整個實驗過程中,硬度計應(yīng)避免受到?jīng)_擊和震動。任一壓痕距離邊緣,對于鋼、銅及銅合金至少應(yīng)為對角線長度的2.5倍;對于輕金屬

8、、鉛、錫合金至少應(yīng)為壓痕對角線長度的3倍。兩壓痕中心之間的距離,對于鋼、銅及銅合金至少應(yīng)為對角線長度的3倍;對于輕金屬、鉛、錫合金至少應(yīng)為壓痕對角線長度的6倍。應(yīng)測量壓痕兩個對角線的長度,用兩讀數(shù)的平均值計算硬度值。(三)金屬洛氏硬度實驗原理洛氏硬度試驗方法的壓頭為圓錐角a=120。、頂部曲率半徑為0.2mm的金剛石圓錐體或直徑為D=1.5875mm的球。1在初始實驗力匚的壓入深度;2在初始實驗力.的壓入深度;3去除實驗力.后的彈性回復(fù);4,殘余壓入深度;5.試樣表面;6.測量基準(zhǔn)面;7.壓頭位置1圖4洛氏硬度試驗原理圖圖4為以金剛石圓錐體作為壓頭測定洛氏硬度的原理圖。先對試樣加上規(guī)定的初始力

9、Fo,在金屬表面得一壓痕深度1,以此作為測量壓痕深度的基線。隨后再加上主試驗力.,壓痕深度的增量為2。金屬在.作用下產(chǎn)生的總變形2中包括彈性變形與塑性變形。當(dāng)將.卸除后,總變形中的彈性變形恢復(fù),使壓頭回升一段距離。于是得到金屬在Fo作用下的殘余壓痕深度增量4(用e表示)(其值以0.002mm為單位表示)。e值愈大表明金屬洛氏硬度愈低;反之,則表明硬度愈高。為了照顧習(xí)慣上數(shù)值愈大硬度愈高的概念,故用一個常數(shù)上減去e來表示洛氏硬度值,并以符號HR表示,即HR=k-e、(5)當(dāng)使用A、B標(biāo)尺時,常數(shù)k定為100;當(dāng)使用B標(biāo)尺時時,常數(shù)k定為130。實際測定洛氏硬度時,由于在硬度計的壓頭上方裝有百分表

10、,可直接測出壓痕深度,并按式(5)換算出相應(yīng)的硬度值。因此,在試驗過程中金屬的洛氏硬度可直接讀出。為了測定軟硬不同的金屬材料的硬度,在洛氏硬度計上可選配不同的壓頭與試驗力,組合成幾種不同的洛氏硬度標(biāo)尺。每一種標(biāo)尺用一個字母在HR后注明。我國最常用的標(biāo)尺有A、B、C三種,其硬度值的符號分別用HRA、HRB及HRC表示。對于A、B標(biāo)尺,直接在符號前面標(biāo)出硬度值即可。如:65HRA和50HRC分別表示使用A和C標(biāo)尺,硬度值為65和50。如果采用B標(biāo)尺,必須標(biāo)出球的材質(zhì),S表示鋼球,W表示硬質(zhì)合金球。如:59HRBS表示用淬火鋼球在B標(biāo)尺上測得的硬度值為59。各標(biāo)尺的試驗條件、硬度值計算公式及應(yīng)用實例

11、,見表1。洛氏礎(chǔ)度標(biāo)尺趣穫符號壓頭類型初始試驗力主試監(jiān)力Fl/N總試臉力F/N適用范【涪氏碩度試驗AHRA金tfl石圜雄198.07490.3588.420HRA-88HRABHRB直輕h6875tnm球眼07882.620HRBIOOHRBC(IRC金剛石圖議98.07137320HRC-70HRC表1洛氏硬度標(biāo)尺的試驗條件及適用范圍實驗一般在10-35C室溫進(jìn)行。試樣應(yīng)放置在剛性支撐物上,并使壓頭軸線與試樣表面垂直,要避免試樣產(chǎn)生移動。使壓頭與試樣表面接觸,無沖擊和震動地施加初始實驗力F。,初始實驗力保持時間不應(yīng)超過3s。在實驗過程中,硬度計避免沖擊和振動。兩壓痕中心之間的距離至少應(yīng)為壓痕

12、直徑的4倍,但不應(yīng)小于2mm;任一壓痕中心至邊緣距離至少應(yīng)為壓痕直徑的2.5倍,但不應(yīng)小于1mm。五、樣品準(zhǔn)備采用老師準(zhǔn)備好的合格樣品,包括硬度不同的鋁合金、碳鋼及合金鋼。標(biāo)準(zhǔn)硬度塊六、實驗步驟打開硬度計電源,將旋紐撥至布氏硬度檔;根據(jù)被測材料選擇合適的壓頭直徑以及P/D2值,同時調(diào)整實驗力旋紐至選定的力值檔;將樣品固定在樣品臺上,選擇合適的檢測點;調(diào)節(jié)樣品臺升降旋紐,至表盤上顯現(xiàn)讀書后,將旋轉(zhuǎn)速度放慢;最后緩慢旋轉(zhuǎn)至100刻度線與基線基本重合;調(diào)節(jié)微調(diào),使100刻度線與基線完全重合;推動載荷加載手柄,給試樣加載,刻度停止移動后,開始記錄保壓時間,達(dá)到預(yù)定時間后,拉動載荷加載手柄卸載;將樣品上

13、面留下的壓痕移至目測顯微鏡下測量壓痕的直徑,必須旋轉(zhuǎn)90度測量兩次,取平均值;代入式(1)或(2)計算樣品的布氏硬度值;重復(fù)上述過程,測量三個不同的點,再取平均值;將電源旋紐撥至維氏硬度檔;根據(jù)被測材料選擇合適的實驗力,同時調(diào)整實驗力旋紐至選定的力值檔;將樣品固定在樣品臺上,選擇合適的檢測點;調(diào)節(jié)樣品臺升降旋紐,至表盤上顯現(xiàn)讀書后,將旋轉(zhuǎn)速度放慢;最后緩慢旋轉(zhuǎn)至100刻度線與基線基本重合;調(diào)節(jié)微調(diào),使100刻度線與基線完全重合;推動載荷加載手柄,給試樣加載,刻度停止移動后,開始記錄保壓時間,達(dá)到預(yù)定時間后,拉動載荷加載手柄卸載;將樣品上面留下的壓痕移至目測顯微鏡下測量壓痕的兩對角線長度,取平均

14、值;代入式(3)或(4)計算樣品的維氏硬度值;重復(fù)上述過程,測量三個不同的點,再取平均值;將電源旋紐撥至洛氏硬度檔;根據(jù)被測材料選擇合適的洛氏硬度標(biāo)尺,同時調(diào)整實驗力旋紐至選定的力值檔;將樣品固定在樣品臺上,選擇合適的檢測點;調(diào)節(jié)樣品臺升降旋紐,至表盤上顯現(xiàn)讀書后,將旋轉(zhuǎn)速度放慢;最后緩慢旋轉(zhuǎn)至100刻度線與基線基本重合;調(diào)節(jié)微調(diào),使100刻度線與基線完全重合;推動載荷加載手柄,給試樣加載,刻度停止移動后,開始記錄保壓時間,達(dá)到預(yù)定時間后,拉動載荷加載手柄卸載;卸載后,直接在硬度計的表盤上讀出樣品的硬度值;重復(fù)上述過程,測量三個不同的點,再取平均值;七、實驗注意事項實驗過程中,樣品一定要保持穩(wěn)

15、定,必須有良好的支撐,以免加壓后試樣彈出傷人;在調(diào)節(jié)實驗力時,一定要在卸載的狀態(tài)下進(jìn)行;在實驗中,調(diào)整壓頭至基線時,必須在卸載的狀態(tài)下進(jìn)行;八、實驗結(jié)果及數(shù)據(jù)處理將標(biāo)準(zhǔn)硬度塊的實驗結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對照,找出差異的原因;將樣品的實驗測量結(jié)果與文獻(xiàn)值進(jìn)行比較,分析其差異。九、實驗報告要求詳細(xì)說明布洛維硬度測量的基本原理;詳細(xì)說明布洛維硬度測量的操作程序;對不同測量的硬度結(jié)果進(jìn)行比較,分析差異。十、思考題及討論三種不同的硬度表征方法有何異同?在具體實施過程中,如何選擇硬度的表征方法?十一、參考資料GB/T231.12002金屬布氏硬度試驗第1部分:實驗方法GB/T231.22002金屬布氏硬度試驗第

16、2部分:硬度計的檢驗與校準(zhǔn)GB/T231.32002金屬布氏硬度試驗第3部分:標(biāo)準(zhǔn)硬度塊的標(biāo)定GB/T4340.11999金屬維氏硬度實驗第1部分:實驗方法GB/T4340.21999金屬維氏硬度實驗第2部分:硬度計的檢驗GB/T4340.31999金屬維氏硬度實驗第3部分:標(biāo)準(zhǔn)硬度塊的標(biāo)定GB/T230.12004金屬洛氏硬度試驗第1部分:實驗方法GB/T230.22002金屬洛氏硬度試驗第2部分:硬度計的檢驗與校準(zhǔn)GB/T230.32002金屬洛氏硬度試驗第3部分:標(biāo)準(zhǔn)硬度塊的標(biāo)定附表1:布氏硬度在不同條件下的實驗力頊度符號球體宜徑D/mm力-壓吳直輕比0.1O2XF/D1/(N/rtim

17、2)試驗力標(biāo)稱值F/NHBW10/3000103029430HBW10/1500K1514710HBW10/100010109BO7HBW10/5001054403HBW10/250102.52452HBW10/)001019B0.7HBWS/750s73S5HBW5/2505102452HBW5/125551226HBW5/62.5.5亂5師比9HEW5/2551245.2HBWi.5/1B7.52,530183&I1BW瓷5/62.52.510612-9HBW2.5/31.252,55306.6HfiW2+5/15,6252.52.5153.2HBW2.5/6.252-5161.29FIB

18、W1/30130294,2HEWi/1011098-07HBW1/51549.03HBW1/2x512.521.52HBW1/1119;80773aih-La-JD.XU.il-dIJ.d.-JlJ-ih附表2:布氏硬度各種材料的實驗力一壓頭直徑平方的比率材料布氏砸度HBW試驗力-壓頭宜桎比CKJOZXF/CN/Tmn*)鋼、熱合金,鈦合金30鑄鐵14010140ao20030801015l燒結(jié)金屬見ISO4498-11)對子詩鐵的試驗.球悴直隹一號為立.5、5和10mm.附表3:不是硬度的試樣厚度與壓痕直徑的關(guān)系壓痕平均直徑試樣最小厚度(mm)d球體直徑(mm)D=1D=2.5D=5D=10

19、0.20.080.30.180.40.330.50.540.60.80.290.70.40.80.530.90.6710.831.11.021.21.230.581.31.460.691.41.720.81.520.921.61.051.71.191.81.341.91.521.672.22.042.42.461.172.62.921.382.83.431.6341.843.22.13.42.383.62.683.8343.344.23.74.44.084.64.484.84.9155.365.25.835.46.335.66.865.87.4268附表4:維氏硬度試樣最小厚度一實驗力一硬度關(guān)系000000ijitjCi.rCLiiii:ljj-Nrb-i*.jlrmijInrTTa.r-1Mr|,rr|.A_.r.rIIpilijLLr_lisltj”iitw:門meju_jtf_n,iHim1naiih-iHBhVikalilHhPIKb500250IM4Bal

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