金属材料的硬度实验
一、实验目的
1.了解布氏、洛氏、里氏及显微维氏硬度测定的基本原理及应用范围。
2.了解布氏、洛氏、里氏及显微维氏硬度试验机及硬度数据的测试方法。
二、实验原理
金属的硬度可以认为是金属材料局部表面在接触压力的任用下抵抗塑性变形的一种能力。硬度值是材料性能的一个重要指标。试验方法简单、迅速，不需要专门的试样，同时保持试样的完整性，设备也比较简单。而且对大多数金属材料，硬度值估算出它的抗拉强度。因此在设计图纸的技术条件中大多规定材料的硬度值。检验材料或工艺是否合格有时也需用硬度。所以硬度试验在生产中广泛使用。
硬度测试方法很多，有压入法、弹性回跳法、划痕法。压入法就是一个很硬的压头以一定的压力压入试样的表面，使金属产生压痕，然后根据压痕的大小来确定硬度值。压痕越大，则材料越软；反之，则材料越硬。根据压头类型和几何尺寸等条件的不同，常用的压入法用于测量布氏、洛氏和维氏硬度三种。弹性回跳法就是将撞销从一定高度落到所试材料的表面上而发生回跳，用测得的撞销回跳的高度来表示硬度。所测的硬度称为肖氏硬度。撞销是一只具有尖端的小锥，尖端上常镶有金刚钻。应用划痕法将棱锥形金刚钻针刻划所试物体的表面而发生划痕,用测得的划痕的深度分十级来表示硬度：滑石(talc)1（硬度最小），石膏(gypsum)2，方解石(calcite)3，萤石(fluorite)4，磷灰石(apatite)5，正长石(feldspar;orthoclase;periclase)6，石英(quartz)7，黄玉(topaz)8，刚玉(corundum)9，金刚石(diamond)10。用划痕法测得的硬度称为莫氏硬度。
三、布氏硬度（HB）
布氏硬度用符号HB表示。这种试验方法是把规定直径（10mm、5mm、2.5mm）的硬质合金球以一定的试验力压入所测材料的表面（如图1-1所示），保持规定时间后，测量表面压痕直径（如图1-2所示），然后按下式计算硬度：
HBW=P2P =FπD(D-D2-d2)
式中 HBW-表示用硬质合金球测试时的布氏硬度值；
P-载荷（kg）；（1kg＝9.8N）
D-压头钢球直径（mm）；
d-压痕平均直径（mm）；
F-压痕面积（mm2）；
式中只有d是变数，故只需要测出压痕直径d，根据已知D和P值就可以计算出HB值。布氏硬度习惯上不标出单位。生产中已专门制定了平面布氏硬度值计算表见附录一，用读数显微镜测出压痕直径后，直接查表就可获得HB硬度值。
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图1-1 布氏硬度测量示意图 图1-2 用读数显微镜测量压痕直径
布氏硬度测试法的优点是：压痕面积较大，因而受试样中成份偏析和组织偏析的影响较小，能够较精确地反映试样的硬度。其缺点是：需要经常更换压头与载何，测量较麻烦，不适宜测定成品件和较薄的材料。
布氏硬度试验机的外形结构如图1-3所示，其操作方法如下：
图1-3电子布氏硬度试验机外形结构图
1. 选用适当的压头，负荷及保荷时间。拧松压紧镙钉，把时间定位器（红色指示点）转到与持续时间相符的位置上。
2. 将试样放在工作台上，顺时针转动手轮使压头和试样缓慢接触，直到手轮与镙母产生相对打滑为止。
3. 打开电源开关，绿灯亮。
4. 按动加载按钮，启动电动机，载荷砝码经一系列的杠杆系统传递到压头，即开始加载荷。此时因压紧镙钉已拧松，园盘并不转动，当红色指示灯亮时，迅速拧紧压紧镙钉。达到所要求的持续时间后，即自动卸荷。从启动按钮形状到红灯亮为加荷阶段；红灯亮到红灯灭为保荷阶段；红灯灭到电动机停止转动为卸荷阶段。
5. 逆时针转动手轮降下工作台，取下试样用读数显微镜测出压痕直径d值，以此值查表即得HB值。
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四、洛氏硬度（HR）
洛氏硬度实验法是采用金钢石圆锥体或淬火钢球压入金属表面，如图1-4a所示。对硬材料如淬火后的钢件，用金钢石压头；对较软的金属则用淬火钢球。通常有60、100和150kgf三种载荷，而且为了减少因零件表面不光滑而造成的误差，需首先加10kgf的初始载荷。洛氏硬度的测试原理如图1－4b.所示。
根据所用压头种类和所加载荷的不同，洛氏硬度分为HRA、HRB、HRC等。
图1-4 洛氏硬度测试法原理图
1—加初始试验力10kg 2—加主试验力后 3—卸除主试验力后
如果直接用压痕深度的大小来作计量硬度值的指标，势必造成越硬的材料洛氏硬度值越小，而越软的材料的洛氏硬度值越大，不符合人们的习惯。为了与习惯上数值越大硬度越高的概念相一致，将测试结果作以下处理： HR=K-
式中：HR为洛氏硬度代号；K为常数，当采用金钢石压头时K＝100，用φ1.588mm淬火钢球压头时K＝130；规定每0.002mm压痕深度为1洛氏硬度单位。
洛氏硬度的数值可直接从硬度计上读出，不需换算和查表，非常方便。读出来的数值，没有单位，习惯上常称“度”。洛氏硬度的不同硬度标尺之间，洛氏硬度与布氏硬度之间，以及与其它硬度之间，没有理论上的相应关系，不能直接比较。要比较时需查硬度值对照表，即压痕直径与布氏硬度值及相应洛氏硬度值对照表。洛氏硬度测试方法简单迅速，可测量最软至最硬的材料。由于压痕小，故可测量成品及较薄另件的硬度。但也由于压痕小，对组织和硬度不均匀的材料，测试结果不准确。通常应从试件不同的位置测三点，再取其平均值。
洛氏硬度试验机操作方法如下：
（1）根据试样的硬度值范围，选择适当的压头和载荷。
（2） 将符合要求的试样放置在试样台上，顺时针转动手轮，使试样与压头缓慢接触。直至小指针指向小红点为止。此时即已予加载荷10kg，然后调整指示器大指针对正零点。
（3） 轻轻向前推动手柄，施加主载荷，大指针按逆时针方向转动，待转动停止后，再将手柄板回卸去主载荷，大指针又顺时针方向转动，自动停止后，大指针所指表盘上的数据即为该材料的洛氏硬度值。
（4）逆时针转动手轮，降下载物台，取出试样。 h0.002
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图1-5 TH500洛氏硬度试验机外形结构图
五、里氏硬度（HL）
里氏硬度测试方法是于1978年引入硬度测量技术的，他定义为用规定质量的冲击体在弹力作用下以一定速度冲击被测材料或零件表面，用冲头在被测材料或零件表面1mm处的回弹速度与冲击速度的比值计算硬度值。其表示符号为HL。当使用不同冲击装置时，应在HL之后附以相应型号，如HLD表示用D型装置测定的里氏硬度。里氏硬度的表示方法为符号前示出硬度数值，符号后示出冲击装置类型，例如700HLD表示用D型冲击装置测定的里氏硬度值为700。适用于大型金属零件及部件的硬度测定。
HL=1000⨯VB VA
VB—冲击体回跳速度
VA—冲击体冲击速度
图1-6 MH180里氏硬度计外形结构图
MH180里氏硬度计是一种手持式硬度测试仪器。具有易携带，测量范围宽（可实现六种硬度(170-960)HLD, (17-68.5)HRC, ( 19-651)HB, ( 80-976)HV, ( 30-100)HS, ( 59-85)HRA,
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(13-100)HRB之间的相互转换及硬度与强度间的相互转换，操作方便（可反复显示各测试结果），并适用于所有常用金属等特点。可广泛用于石油、化工、机械、电子等各种行业。
六、显微维氏硬度(HV)
HV=
0.102F0.204Fsin(136︒/2)F==0. Ad2d2
维氏硬度试验的优点
维氏硬度试验的压痕是正方形，轻廓清晰，对角线测量准确，因此，维氏硬度试验是常用硬度试验方法中精度最高的，同时它的重复性也很好，这一点比布氏硬度计优越。
维氏硬度试验测量范围宽广，可以测量目前工业上所用到的几乎全部金属材料，从很软的材料（几个维氏硬度单位）到很硬的材料（3000个维氏硬度单位）都可测量。
维氏硬度试验最大的优点在于其硬度值与试验力的大小无关，只要是硬度均匀的材料，可以任意选择试验力，其硬度值不变。这就相当于在一个很宽广的硬度范围内具有一个统一的标尺。这一点又比洛氏硬度试验来得优越。
在中、低硬度值范围内，在同一均匀材料上，维氏硬度试验和布氏硬度试验结果会得到近似的硬度值。例如，当硬度值为400以下时，HV≈HB。
维氏硬度试验的试验力可以小到10gF，压痕非常小，特别适合测试薄小材料。
数显显微硬度计是一种压入硬度，反映被测物体对抗另一硬物体压入的能力。测量的仪器是显微硬度计，它实际上是一台设有加负荷装置带有目镜测微器的显微镜。测定之前，先要将待测磨料制成反光磨片试样，置于显微硬度计的载物台上，通过加负荷装置对四棱锥形的金刚石压头加压。负荷的大小可根据待测材料的硬度不同而增减。金刚石压头压入试样后，在试样表面上产生一个凹坑。把显微镜十字丝对准凹坑，用目镜测微器测量凹坑对角线长度。根据所加负荷及凹坑对角线长度就可计算出所测物质的显微硬度值。
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图1-7 显微维氏硬度计外形结构图
七、实验结果
1. 布氏硬度值测定
2. 洛氏硬度值测定
3. 里氏硬度值测定
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金属材料的硬度实验
一、实验目的
1.了解布氏、洛氏、里氏及显微维氏硬度测定的基本原理及应用范围。
2.了解布氏、洛氏、里氏及显微维氏硬度试验机及硬度数据的测试方法。
二、实验原理
金属的硬度可以认为是金属材料局部表面在接触压力的任用下抵抗塑性变形的一种能力。硬度值是材料性能的一个重要指标。试验方法简单、迅速，不需要专门的试样，同时保持试样的完整性，设备也比较简单。而且对大多数金属材料，硬度值估算出它的抗拉强度。因此在设计图纸的技术条件中大多规定材料的硬度值。检验材料或工艺是否合格有时也需用硬度。所以硬度试验在生产中广泛使用。
硬度测试方法很多，有压入法、弹性回跳法、划痕法。压入法就是一个很硬的压头以一定的压力压入试样的表面，使金属产生压痕，然后根据压痕的大小来确定硬度值。压痕越大，则材料越软；反之，则材料越硬。根据压头类型和几何尺寸等条件的不同，常用的压入法用于测量布氏、洛氏和维氏硬度三种。弹性回跳法就是将撞销从一定高度落到所试材料的表面上而发生回跳，用测得的撞销回跳的高度来表示硬度。所测的硬度称为肖氏硬度。撞销是一只具有尖端的小锥，尖端上常镶有金刚钻。应用划痕法将棱锥形金刚钻针刻划所试物体的表面而发生划痕,用测得的划痕的深度分十级来表示硬度：滑石(talc)1（硬度最小），石膏(gypsum)2，方解石(calcite)3，萤石(fluorite)4，磷灰石(apatite)5，正长石(feldspar;orthoclase;periclase)6，石英(quartz)7，黄玉(topaz)8，刚玉(corundum)9，金刚石(diamond)10。用划痕法测得的硬度称为莫氏硬度。
三、布氏硬度（HB）
布氏硬度用符号HB表示。这种试验方法是把规定直径（10mm、5mm、2.5mm）的硬质合金球以一定的试验力压入所测材料的表面（如图1-1所示），保持规定时间后，测量表面压痕直径（如图1-2所示），然后按下式计算硬度：
HBW=P2P =FπD(D-D2-d2)
式中 HBW-表示用硬质合金球测试时的布氏硬度值；
P-载荷（kg）；（1kg＝9.8N）
D-压头钢球直径（mm）；
d-压痕平均直径（mm）；
F-压痕面积（mm2）；
式中只有d是变数，故只需要测出压痕直径d，根据已知D和P值就可以计算出HB值。布氏硬度习惯上不标出单位。生产中已专门制定了平面布氏硬度值计算表见附录一，用读数显微镜测出压痕直径后，直接查表就可获得HB硬度值。
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图1-1 布氏硬度测量示意图 图1-2 用读数显微镜测量压痕直径
布氏硬度测试法的优点是：压痕面积较大，因而受试样中成份偏析和组织偏析的影响较小，能够较精确地反映试样的硬度。其缺点是：需要经常更换压头与载何，测量较麻烦，不适宜测定成品件和较薄的材料。
布氏硬度试验机的外形结构如图1-3所示，其操作方法如下：
图1-3电子布氏硬度试验机外形结构图
1. 选用适当的压头，负荷及保荷时间。拧松压紧镙钉，把时间定位器（红色指示点）转到与持续时间相符的位置上。
2. 将试样放在工作台上，顺时针转动手轮使压头和试样缓慢接触，直到手轮与镙母产生相对打滑为止。
3. 打开电源开关，绿灯亮。
4. 按动加载按钮，启动电动机，载荷砝码经一系列的杠杆系统传递到压头，即开始加载荷。此时因压紧镙钉已拧松，园盘并不转动，当红色指示灯亮时，迅速拧紧压紧镙钉。达到所要求的持续时间后，即自动卸荷。从启动按钮形状到红灯亮为加荷阶段；红灯亮到红灯灭为保荷阶段；红灯灭到电动机停止转动为卸荷阶段。
5. 逆时针转动手轮降下工作台，取下试样用读数显微镜测出压痕直径d值，以此值查表即得HB值。
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四、洛氏硬度（HR）
洛氏硬度实验法是采用金钢石圆锥体或淬火钢球压入金属表面，如图1-4a所示。对硬材料如淬火后的钢件，用金钢石压头；对较软的金属则用淬火钢球。通常有60、100和150kgf三种载荷，而且为了减少因零件表面不光滑而造成的误差，需首先加10kgf的初始载荷。洛氏硬度的测试原理如图1－4b.所示。
根据所用压头种类和所加载荷的不同，洛氏硬度分为HRA、HRB、HRC等。
图1-4 洛氏硬度测试法原理图
1—加初始试验力10kg 2—加主试验力后 3—卸除主试验力后
如果直接用压痕深度的大小来作计量硬度值的指标，势必造成越硬的材料洛氏硬度值越小，而越软的材料的洛氏硬度值越大，不符合人们的习惯。为了与习惯上数值越大硬度越高的概念相一致，将测试结果作以下处理： HR=K-
式中：HR为洛氏硬度代号；K为常数，当采用金钢石压头时K＝100，用φ1.588mm淬火钢球压头时K＝130；规定每0.002mm压痕深度为1洛氏硬度单位。
洛氏硬度的数值可直接从硬度计上读出，不需换算和查表，非常方便。读出来的数值，没有单位，习惯上常称“度”。洛氏硬度的不同硬度标尺之间，洛氏硬度与布氏硬度之间，以及与其它硬度之间，没有理论上的相应关系，不能直接比较。要比较时需查硬度值对照表，即压痕直径与布氏硬度值及相应洛氏硬度值对照表。洛氏硬度测试方法简单迅速，可测量最软至最硬的材料。由于压痕小，故可测量成品及较薄另件的硬度。但也由于压痕小，对组织和硬度不均匀的材料，测试结果不准确。通常应从试件不同的位置测三点，再取其平均值。
洛氏硬度试验机操作方法如下：
（1）根据试样的硬度值范围，选择适当的压头和载荷。
（2） 将符合要求的试样放置在试样台上，顺时针转动手轮，使试样与压头缓慢接触。直至小指针指向小红点为止。此时即已予加载荷10kg，然后调整指示器大指针对正零点。
（3） 轻轻向前推动手柄，施加主载荷，大指针按逆时针方向转动，待转动停止后，再将手柄板回卸去主载荷，大指针又顺时针方向转动，自动停止后，大指针所指表盘上的数据即为该材料的洛氏硬度值。
（4）逆时针转动手轮，降下载物台，取出试样。 h0.002
3
图1-5 TH500洛氏硬度试验机外形结构图
五、里氏硬度（HL）
里氏硬度测试方法是于1978年引入硬度测量技术的，他定义为用规定质量的冲击体在弹力作用下以一定速度冲击被测材料或零件表面，用冲头在被测材料或零件表面1mm处的回弹速度与冲击速度的比值计算硬度值。其表示符号为HL。当使用不同冲击装置时，应在HL之后附以相应型号，如HLD表示用D型装置测定的里氏硬度。里氏硬度的表示方法为符号前示出硬度数值，符号后示出冲击装置类型，例如700HLD表示用D型冲击装置测定的里氏硬度值为700。适用于大型金属零件及部件的硬度测定。
HL=1000⨯VB VA
VB—冲击体回跳速度
VA—冲击体冲击速度
图1-6 MH180里氏硬度计外形结构图
MH180里氏硬度计是一种手持式硬度测试仪器。具有易携带，测量范围宽（可实现六种硬度(170-960)HLD, (17-68.5)HRC, ( 19-651)HB, ( 80-976)HV, ( 30-100)HS, ( 59-85)HRA,
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(13-100)HRB之间的相互转换及硬度与强度间的相互转换，操作方便（可反复显示各测试结果），并适用于所有常用金属等特点。可广泛用于石油、化工、机械、电子等各种行业。
六、显微维氏硬度(HV)
HV=
0.102F0.204Fsin(136︒/2)F==0. Ad2d2
维氏硬度试验的优点
维氏硬度试验的压痕是正方形，轻廓清晰，对角线测量准确，因此，维氏硬度试验是常用硬度试验方法中精度最高的，同时它的重复性也很好，这一点比布氏硬度计优越。
维氏硬度试验测量范围宽广，可以测量目前工业上所用到的几乎全部金属材料，从很软的材料（几个维氏硬度单位）到很硬的材料（3000个维氏硬度单位）都可测量。
维氏硬度试验最大的优点在于其硬度值与试验力的大小无关，只要是硬度均匀的材料，可以任意选择试验力，其硬度值不变。这就相当于在一个很宽广的硬度范围内具有一个统一的标尺。这一点又比洛氏硬度试验来得优越。
在中、低硬度值范围内，在同一均匀材料上，维氏硬度试验和布氏硬度试验结果会得到近似的硬度值。例如，当硬度值为400以下时，HV≈HB。
维氏硬度试验的试验力可以小到10gF，压痕非常小，特别适合测试薄小材料。
数显显微硬度计是一种压入硬度，反映被测物体对抗另一硬物体压入的能力。测量的仪器是显微硬度计，它实际上是一台设有加负荷装置带有目镜测微器的显微镜。测定之前，先要将待测磨料制成反光磨片试样，置于显微硬度计的载物台上，通过加负荷装置对四棱锥形的金刚石压头加压。负荷的大小可根据待测材料的硬度不同而增减。金刚石压头压入试样后，在试样表面上产生一个凹坑。把显微镜十字丝对准凹坑，用目镜测微器测量凹坑对角线长度。根据所加负荷及凹坑对角线长度就可计算出所测物质的显微硬度值。
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图1-7 显微维氏硬度计外形结构图
七、实验结果
1. 布氏硬度值测定
2. 洛氏硬度值测定
3. 里氏硬度值测定
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