工程材料及热加工》实验指导书

工程材料及热加工

实

验

指

导

书

湖北文理学院机械与汽车工程学院

机械基础教研室

实验一 硬度实验

一、实验目的

1、了解布氏硬度计、洛氏硬度计、里氏硬度计的主要构造及操作方法。

2、初步掌握布氏硬度值、洛氏硬度值、里氏硬度值的测定方法。

3、初步建立碳钢的含碳量与其硬度间的关系和热处理能改变材料硬度的概念。 二、实验概述

硬度试验设备简单，操作迅速方便，不需要专门制备试样，也不破坏被测试的工件。因此，在工业生产中，被广泛应用于产品质量的检验。此外，硬度值与其他力学性能及某些工艺性能（如切削加工性、冷成形性等）都有一定的联系，故在产品设计图样的技术条件中，硬度是一项主要技术指标。

目前，在测定硬度的方法中，最常用的是压入硬度法。其中以布氏硬度和洛氏硬度应用最广。它们的试验原理都是用一定几何形状的压头在一定载荷下压入被测金属材料的表面，根据压头被压入的程度来测定其硬度值。

1、布氏硬度

布氏硬度试验方法是将一直径为D 的淬火钢球或硬质合金球在规定载荷F 的作用下压入被测试金属表面，停留一定时间后卸除载荷，在被测试金属表面上形成一个直径为d 的压痕。计算出压痕单位面积所承受的平均压力，以此作为被测试金属的布氏硬度值。但实际试验时都是用读数显微镜测出压痕直径d ，再根据d 值，查对照表得出所测的硬度值。

当压头为淬火钢球时，硬度符号为HBS ，适用于布氏硬度值低于450的金属材料；当压头为硬质合金球时，硬度符号为HBW ，适用于布氏硬度值为450～650的金属材料。

在进行布氏硬度试验时，应根据被测试金属材料的种类和试样厚度，选用不同大小的球体直径D 、施加载荷F 和载荷保持时间。

布氏硬度试验法因压痕面积较大，能反映出较大范围内被测试金属的平均硬度，故试验结果较准确。但因压痕较大，不宜测试成品或薄片金属的硬度。

2、洛氏硬度

洛氏硬度试验方法是以一个锥顶角为120°的金刚石圆锥体或直径为 1.588mm )16

1

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in 的钢球为压头，在先后两次截荷（初载荷与主载荷）作用下，压入被测试金属表面，然后卸除主截荷，在保留初载

荷情况下，测出由主截荷引起的塑性变形的压力深度h ，再由h 值确定洛氏硬度值。h 值愈大时，被测试金属的洛氏硬度值愈低；反之，则愈高。在实际试验时，都是由硬度计的指示器表盘上直接读出所测的硬度值。

洛氏硬度试验时，可用不同压头和不同的主载荷组成不同的洛氏硬度标尺。最常用的是HRA 、HRB 、HRC 三种，其中HRC 适用于测量硬度值高于230HBS 的较硬金属；HRB 适用于测量硬度值低于230HBS 的较软金属；HRA 适用于测量硬脆的金属材料或浅层表面硬化的金属。

洛氏硬度试验操作迅速简便，且压痕较小，可以测定成品或较薄金属的硬度，故目前生产上应用广泛。

退火状态碳钢的硬度一般是随着含碳量的增加而逐渐增加。 3、里氏硬度 ●工作原理

用规定质量的冲击体在弹力作用下，以一定速度冲击试样表面，用冲头在距试样表面1mm 处回弹速

度与冲击速度的比值计算硬度值。计算公式如下：

HL＝1000×VB/VA

式中：HL——里氏硬度值

VB——冲击体回弹速度

VA——冲击体冲击速度

●适用范围

碳钢、铸铁、合金钢

●主要用途

已安装的机械或永久性组装部件。

模具型腔。

重型工件。

压力容器、汽轮发电机组及其设备的失效分析。

试验空间很狭小的工件。

轴承及其它零件。

要求对测试结果有正规的原始记录。

金属材料仓库的材料区分。

大型工件大范围内多处测量部位的快速检验。

三、实验设备及注意事项

1、布氏硬度计

布氏硬度试验主要设备有布氏硬度计和读数显微镜。常见的布氏硬度计有液压式和机械式两大类。用机械式布氏硬度计试验时，先将试样放在工作台上，按顺时针方向转动手轮，使工作台上升至试样与压头接触，并在手轮打滑后，再开动电动机，经二级蜗轮蜗杆减速器减速后，驱动连杆与摇杆向下运动，此时压头在砝码通过大杠杆、小杠杆及压轴作用下，以一定大小的载荷压入试样。停留一定时间后，电动机自动反转，曲柄连杆带动摇杆上升而卸除载荷。在关闭电动机后，反时针方向转动手轮，使工作台下降并取下试样。最后用读数显微镜测出压痕直径d，根据d的大小查表即可求得布氏硬度值。

2、洛氏硬度实验注意事项

（1）清理试样表面。被测表面应无油脂、氧化皮、裂纹、凹坑、显著的加工痕迹以及其它外来污物。

（2）根据试样材料选择压头及载荷。根据试样形状选择合适的工作台。工作台表面、试样的支承面和压头表面均应清洁。

（3）把试样稳固地放在硬度计工作台上，按洛氏硬度计的操作顺序进行试验，试验中心必须保证载荷平衡地垂直施加于试样的测试表面，不得有冲击或震动。然后由指示器上读得硬度值并作好记录。

（4）移动试样，并在另一位置继续进行试验，两相邻压痕中心距离或任一压痕中心距试样边缘距离一般不得小于3mm，前后共测三点，计算后两次试验得出硬度值的平均值，并作好记录。

3、里氏硬度计使用前的准备和检查

（1）在制备试样表面过程中，应尽量避免由于受热、冷加工等对试样表面硬度的影响。

（2）被测表面过于粗糙，则会引起测量误差。因此，试样的被测表面必须露出金属光泽，并且平整、光滑、不得有油污。

（3）曲面：试样的试验面最好是平面。当被测表面曲率半径R小于30mm的试样在测试时应使用小支承环或异型支承环。

（4）试样应有足够的厚度

四、实验材料

五、实验步骤

1、布氏硬度试验

（1）清理试样表面。被测表面应是无氧化皮及外来污物的光洁平面，以保证能准确测量压痕直径。

（2）根据试样材料及厚度，按布氏硬度试验规范选择钢球压头的直径、载荷大小及截荷保持时间。

（3）把试样稳固地放在硬度计工作台上，按布氏硬度计的操作顺序进行试验，使试样表面留下一个压痕。试验时，应使载荷均匀平衡地垂直施加于试样的测试表面，不得有冲击或震动。

（4）移动试样后重做一次试验，使试样表面又留下一个压痕。为了使实验结果精确，相邻两压痕的中心距离应不小于压痕直径的4倍；压痕中心距试样边缘的距离不小于压痕直径的2.5倍；压痕直径d的大小应在0.24D～0.6D范围内；压痕深度应小于试样厚度的1/10。

（5）自工作台上取下试样，用读数显微镜在相互垂直方向上测量压痕直径，然后计算其平均值并做好记录。

（6）根据压痕直径d，查对照表求得各试样的布氏硬度值。

2、洛氏硬度试验步骤

（1）硬度计试验程序HBRV－187.5型

（2）将机身后端电源插头接上电源后，打开机身右侧下方的光源开关，使在投影屏上能看到清晰的影像。

（3）根据试验要求选用压头（120°金刚石圆锥 HRC），并将压头安装在主轴的孔中，安装时应使压头的肩部与主轴端面紧密接触，然后适当拧紧紧固螺钉。

（4）根据试验需要选择试验负荷（150kg HRC），转动机身右侧的变换旋钮，使所需负荷数字对正标记。

（5）将手柄推向后方，然后将试样放在工作台上，转动手轮使试样的试面与压头接触，继续转动手轮，使试样升高，直到投影屏上的基线与左边刻度“100”接近重合。

（6）旋转投影屏下的调整旋钮，使分划板上的刻度100与投影屏横线重合。

（7）拉动手柄，使主负荷缓慢施加在试样上，投影屏上的刻线慢慢回行而停止在一定位置。

（8）将手柄推向后方，使主负荷卸除，此时投影屏上横线对准标尺的数字，即为洛氏硬度值（左边读HRC）。

3、里氏硬度实验

（1）装打印纸

●用拇指和中指轻轻捏住打印仓盖两端的长条棱状凸起部位，稍稍用力使打印仓盖向上旋起。向前上方按打印机搬把，使出纸口抬起并处于打开状态。

●向打印仓中装入打印纸，拉起打印纸并对准朝向打印仓一端的出纸口并装入。

（2）启动

●将冲击装置插头插入位于仪器上的冲击装置插口。

●按键接通电源，仪器进入测量状态。

（3）加载

●向下推动加载套锁住冲击体；对于DC型冲击装置，则可将加载杆吸于试验表面，将DC型冲击装置插入加载杆，直到停止位置为止，此时就完成加截。

●将冲击装置支承环紧压在试样表面上，冲击方向应与试验面垂直。

（4）测量

●按动冲击装置上部的释放按钮，进行测试。此时要求试样、冲击装置、操作者均稳定，并且作用力方向应通过冲击装置轴线。

●试样的每个测量部位一般进行五次试验。数据分散不应超过平均值的±15HL。

（5）读取测量值

（6）打印输出结果

（7）按键关机

六、实验报告

（2）里氏硬度试验结果处理

用五个有效试验点的平均值作为一个里氏硬度试验数据。

（3）分析碳钢的含碳量与硬度间关系，并画出其关系曲线图。

（4）分析热处理对硬度的影响

（5）比较各种硬度计的原理及适用范围。