3金属材料的硬度测定.docx
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3金属材料的硬度测定
课题三金属材料的硬度测定
硬度是指材料抵抗另一较硬的物体压入表面抵抗塑性变形的一种能力,是重要的力学性能指标之一。
另外硬度与其它机械性能(如δb、σ、ψ)之间有一定的内在关系。
可以说,硬度的大小对于机械零件和工模具等的使用性能及寿命具有决定性意义。
又由于硬度测量简便易行,且不损坏工件,因此在生产和科研中应用十分广泛。
常用的硬度试验方法有:
布氏硬度试验----主要用于黑色、有色金属原材料检验,也可用于退火、正火钢铁零件的硬度测定。
洛氏硬度试验——主要用于金属材料热处理后产品性能检验。
维氏硬度试验——用于薄板材或金属表层的硬度测定,以及较精确的硬度测定。
1布氏硬度
布氏硬度试验的优点是其硬度代表性好,由于通常采用的是10mm直径球压头,3000kg试验力,其压痕面积较大,能反映较大范围内金属各组成相综合影响的平均值,而不受个别组成相及微小不均匀度的影响,因此特别适用于测定灰铸铁、轴承合金和具有粗大晶粒的金属材料。
它的试验数据稳定,重现性好,精度高于洛氏,低于维氏。
此外布氏硬度值与抗拉强度值之间存在较好的对应关系。
(1)布氏硬度试验机
常见布氏硬度计有油压式和杠杆式两种,也可用布洛维硬度计测量。
布氏硬度试验机的结构简图见图3—1。
图3-1布氏硬度计简图
1-机身2-手柄3-手轮4-丝杆5工作台6-压头7-紧固螺钉
8-主轴9-弹簧10-调整旋钮11-投影屏10-顶罩13-杠杆14-
推杆15-砝码台16-后盖板17-活塞18变换旋钮
(2)布氏硬度计的原理
布氏硬度试验原理如图3—2。
它是用一定直径D的球体(淬火钢球或硬质合金球)以相应的试验力F压入待测材料表面,保持规定时间使其达到稳定状态,卸除试验力,测量材料表面压痕直径来计算硬度的一种压痕硬度试验。
布氏硬度值是用球面压痕单位面
积上所承受的平均压力来表示。
用符
号HBS(W)来表示。
计算公式如下:
式中:
HBS(HBW)—-用钢球(或硬质合
金球)试验时的布氏硬度值(MPa);图3—2布氏硬度试验原理图
F——试验力(N);
D——球体直径(mm);
d——压痕平均直径(mm)。
由上式可以看出,当F、D一定时,布氏硬度值仅与压痕直径d的大小有关。
d越小,布氏硬度越大,也就是材料硬度越高。
反之,则说明材料较软。
布氏硬度习惯上只写出硬度值而不必注明其单位。
在实际测试时,也不需要逐次按上述公式进行计算,而是用专用的读数放大镜测出压
痕直径d,然后根据d值查阅表3--1即可得到所测硬度值。
表3—1平面布氏硬度值计算表GB/T231.1—2009
球直径D/mm
试验力—压头球直径平方的比率
0.102×F/D2
30
15
10
5
2.5
1
试验力F/N
10
29420
14710
9807
4903
2452
9807
5
7355
--
2452
1226
612.9
245.2
2.5
1839
--
612.9
306.5
153.2
61.29
1
294.2
--
98.07
49.03
24.52
9.807
压痕平均直径d/mm
布氏硬度HBW
2.40
1.200
0.6000
0.240
653
327
218
109
54.5
21.8
2.41
1.205
0.6024
0.241
648
324
216
108
54.0
21.6
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
2.50
1.250
0.6250
0.250
601
301
200
100
50.1
20.0
2.51
1.255
0.6275
0.251
597
298
199
99.4
49.7
19.9
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
3.00
1.500
0.7500
0.300
415
207
138
69.1
34.6
13.8
3.01
1.505
0.7525
0.301
412
206
137
68.6
34.3
13.7
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
3.50
1.750
0.8750
0.350
302
151
101
50.3
25.2
10.1
3.51
1.755
0.8775
0.351
300
150
100
50.0
25.0
10.0
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
4.00
2.000
1.0000
0.400
229
114
76.3
38.1
19.1
7.63
4.01
2.005
1.0025
0.401
228
114
75.9
37.9
19.0
7.59
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
4.50
2.250
1.1250
0.450
179
89.3
59.5
29.8
14.9
5.95
4.51
2.255
1.1275
0.451
178
88.9
59.2
29.6
14.8
5.92
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
5.00
2.500
1.2500
0.500
143
71.3
47.5
23.8
11.9
4.75
5.01
2.505
1.2525
0.501
142
71.0
47.3
23.7
11.8
4.73
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
5.50
2.750
1.3750
0.550
116
57.9
38.6
19.3
9.66
3.86
5.51
2.755
1.3775
0.551
115
57.7
38.5
19.2
9.62
3.85
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
6.00
3.000
1.5000
0.600
95.5
47.7
31.8
15.9
7.96
3.18
备注:
该表为简表,只列出了部分压痕平均直径的布氏硬度值,完整平面布氏硬度值计算表中相邻压痕平均直径的差值为0.01,每个压痕平均直径在不同试验力条件下都有对应的布氏硬度值。
(3)布氏硬度的表示方法
布氏硬度压痕直径的大小用读数显微镜测量。
将打好布氏硬度压痕的硬度块或试件放在平稳的台面上,把读数显微镜置于硬度块或试件上,长镜筒的缺口处对着自然光或用灯光照明。
旋转目镜上的眼罩,使压痕边缘清晰。
a)b)
图3—3显微镜测量压痕直径
选择目镜中任一条固定数字刻线为起始线(数字2)与压痕左边相切。
固定读数显微镜,转动读数毂轮,移动目镜中的刻线相切于另一边,如图3—3a)。
以放大倍率20x,毂轮最小读数0.005mm的显微镜为例,目镜中观察数值为6-2=4mm,毂轮读数41格,则布氏硬度压痕直径为4mm+41×0.005mm=4.205mm,通过查表3—1得出布氏硬度值。
当布氏压痕直径在目镜观察中另一相切边超过半格时,计算压痕直径时加上0.5mm,如图3—3b),布氏硬度压痕直径为4mm+0.5mm+41×0.005mm=4.705mm。
当试验的压头为淬火钢球时,硬度符号用HBS表示,适用于布氏硬值在450以下的材料;当压头为硬质合金球时,硬度符号用HBW表示,适用于布氏硬值在650以下的材料一般硬度符号为HBS或HBW前面的数值为硬度值,硬度符号之后的数字表示试验条件。
依次为球体直径、试验力及试验保持时间。
例如:
170HBS10/1000/30表示用直径10mm的钢球,在9807N试验力作用下保持30s时测得的布氏硬度值为170。
由于材料有硬有软,工件有厚、薄、大、小之分,为适应不同情况,其压头有Ф2.5mm、Ф5mm,Ф10mm三种钢球。
载荷有62.5kgf(612.9N)、100kgf(980.7N)、125kgf(1226N)、187.5kgf(1839612.9N)、250kgf(2452N)、500kgf(4903N)、1000kgf(9807N)、1500kgf(14710N)、3000kgf(29420N)等9种。
在具体测量时只要满足P/D2为常数,则对同一材料来说,布氏硬度值都相同;而对不同材料,所得布氏硬度值是可进行比较的。
国家标准规定P/D2比值为30、10、2.5三种。
按表3—2布氏硬度试验的规范来选择钢球直径D和加压负荷P以及保压时间。
在试样截面大小和厚度允许的情况下,尽可能选用直径大的钢球和大的载荷,这样更接近于材料的真实性能;同时,测量的压痕大,误差也小。
所以,测定钢的硬度时,尽可能用Ф10mm钢球和30000N的载荷。
试验后,压痕直径应在0.25D 表3-2布氏硬度实验规范 (4)布氏硬度计操作规程 ①试样表面应平坦光滑,并且不应有氧化皮及外界污物,尤其不应有油脂。 试样表面应能保证压痕直径的精确测量,建议表面粗糙度参数Ra不大于1.6μm。 ②试样厚度至少应为压痕深度的8倍,试验后,试样背部如出现可见变形,则表明试样太薄。 ③试验一般在10℃--35℃室温下进行,对于温度要求严格的试验,温度为23℃±5℃。 ④试验力的选择应保证压痕直径在0.24D—0.6D之间。 布氏硬度实验应根据材料和硬度值选择,见表3—2。 对于试件尺寸允许时,应优先选用直径10mm的球压头进行试验。 ⑤试样应稳固地放置于试台上。 试样背面和试台之间应清洁和无外界污物(氧化皮、油、灰尘等)。 将试样牢固地放置在试台上,保证在试验过程中不发生位移是非常重要的。 ⑥使压头与试样表面接触,无冲击和振动地垂直于试验面施加试验力,直到达到规定试验力值。 从加力开始至全部试验力施加完毕的时间应在2s—8s之间。 试验力保持时间为10s—15s。 对于要求试验力保持时间较长的材料,试验力保持时间允许误差应在±2s以内。 7在整个试验期间,硬度计不应受到影响试验结果的冲击和振动。 8任一压痕中心距试样边缘距离至少应为压痕平均直径的2.5倍; 两相邻压痕中心间距离至少应为平均直径的3倍。 ⑨应在两相互垂直方向测量压痕直径。 用两个读数的平均值计算布氏硬度,或按表3—1平面布氏硬度值计算表中查得布氏硬度值。 注: 对于自动测量装置,可采用如下方式计算: ——等间隔多次测量的平均值; ——材料表面压痕投影面积数值。 2.洛氏硬度 洛氏硬度的压痕较小,可测量较高硬度,可直接读数,操作方便、效率高,故为热处理产品检验的主要方法之一。 (1)洛氏硬度试验机 洛氏硬度计类型较多,外形构造也不相同,但构造原理及主要部件相同,见图3-4、3-5所示。 图3-4洛氏硬度计机构图 1压头;2一载荷砝码;3一主杠杆,4一测量杠杆; 5表盘;6一缓冲装置;7一载物台,8一升降丝杠 图3—5洛氏硬度计结构图 ⒈加卸试验力手柄2.旋轮3.保护罩4.试台5.压头6.上盖固定螺钉 7.上盖8.后盖固定螺钉9.后盖10.表盘11压头止紧螺钉12.变荷手轮 (2)洛氏硬度计的原理 洛氏硬度是以顶角为120°的金刚石圆锥体或直径为Φ1.588㎜的淬火钢球作压头,以规定的试验力使其压入试样表面。 试验时,先加初试验力,然后加主试验力。 压入试样表面之后卸除主试验力,在保留初试验力的情况下,根据试样表面压痕深度,确定被测金属材料的洛氏硬度值。 图3—6洛氏硬度计测量原理图 如图3-6所示,总载荷P分为两次加到压头上。 首先加入预载荷P0,使压头与试样的表面接触良好,此时压痕深度为hl(见图3-6a);然后加入主载荷P1,这时总载荷P=P0+P1,此时压痕深度增加到h2位置(见图3-6b)。 随后将主载荷卸除,此时压痕由于加载时所产生的弹性变形已恢复,这时压痕深度h=h2-h1(见图3-6c)。 洛氏硬度值由h的大小确定,压入深度h越大,硬度越低;反之,则硬度越高。 一般说来,按照人们习惯上的概念,数值越大,硬度越高。 根据h值及常数N和S计算洛氏硬度值,用符号HR表示。 HR=N-h/S(3—1) 式中: HR---洛氏硬度; N----给定标尺的硬度数; h---压痕深度,mm; S---给定标尺的单位,mm。 (3)洛氏硬度的表示方法 洛氏硬度值直接从硬度计的刻度盘上读数。 为符合数值愈大硬度愈高的习惯,对标尺硬度值进行了修正。 材料愈硬;则刻度盘上的硬度示值愈大。 反之,则刻度盘上的示值愈小,即材料愈软。 洛氏硬度用符号HR表示。 为了便于用同一硬度计测定从软到硬较大范围的材料硬度,可采用不同的压头和载荷,组成15种不同的洛氏硬度标度,每一种标度用一个字母在HR字样后加以注明,以示区别。 其中最常用的是HRC、HRB和HRA三种。 如当采用C标度测得某材料洛氏硬度值为64,即表示为64HRC或HRC64。 表3—3为这三种标度的试验条件和应用范围。 表3--3常用洛氏硬度标尺的试验条件和适用范围 洛氏硬度与布氏硬度之间,没有理论上的对应关系,故不能直接进行比较。 但是,对于同类材料,在相同状态下和一定硬度值范围内进行对比试验的基础上,可得到一些硬度(及强度)之间的换算关系和换算经验公式。 如当材料HBS>220时,有HB≈10HRC之近似关系,可供在工程实践中进行换算与比较。 (4)洛氏硬度计操作规程 ①试件表面应磨平、且无氧化皮和油污等,试样的表面应能保证压痕深度的精确测量.建议试样表面粗糙度Ra不大于1.6μm。 ②试样的制备应使受热或冷加工等因素对试样表面硬度的影响减至最小。 尤其对于残余压痕深度浅的试样应特别注意。 ③原则上试验后试样背面不应出现可见变形。 HR30Tm的试验也应符合规定进行。 ④试验一般在10℃~35℃室温下进行。 洛氏硬度试验应选择在较小的温度变化范围内进行,因为温度的变化可能会对试验结果有影响。 ⑤试样应平稳地放在刚性支承物上,并使压头轴线与试样表面垂直,避免试样产生位移。 ⑥使压头与试样表面接触,无冲击和振动地施加初试验力P0,初试验力保持时间不应超过3s。 ⑦无冲击和无振动或无摆动地将测量装置调整至基准位置,从初试验力P0施加至总试验力P的时间应不小于1s且不大于8s。 ⑧总试验力P保持时间为4s士2s。 然后卸除主试验力P1,保持初试验力PO,经短时间稳定后,进行读数。 ⑨洛氏硬度值可用给出的公式3—1由残余压痕深度h计算出,通常从测量装置中直接读数。 ⑩试验过程中,硬度计应避免受到冲击或振动。 ’ (11)两相邻压痕中心之间的距离至少应为压痕直径的4倍,并且不应小于2mm。 任一压痕中心距试样边缘的距离至少应为压痕直径的2.5倍,并且不应小于1mm。 3维氏硬度 维氏硬度试验主要用于测试小型精密零件的硬度,表面硬化层硬度和有效硬化层深度,镀层的表面硬度,薄片材料和细线材的硬度,刀刃附近的硬度,牙科材料的硬度等,由于试验力很小,压痕也很小,试样外观和使用性能都可以不受影响。 (1)维氏硬度试验机 维氏硬度计一般分为三种: 最大负荷在10-50公斤的维氏硬度计;最大负荷在5公斤的小负荷维氏硬度计;最大负荷在1公斤的显微维氏硬度计,如图3—7为维氏硬度计的结构图。 图3—7维氏硬度计的结构图 1.调节螺钉2.旋轮3.螺杆4.试台5.压头6.目镜7.眼罩 8.上盖9.摄像盖板10.后盖板11.手轮12.电源开关13.物镜 14.灯源15.左鼓轮16.右鼓轮17.转盘18.物镜19.操作面板 (2)维氏硬度计的原理 图3—8维氏硬度的试验原理图 如图3—8所示,维氏硬度是采用顶角为136°的正四棱锥体金刚石压头,在试验力作用下压入试样表面,保持规定时间后,卸除试验力,测量试样表面压痕对角线长度。 试验力除以压痕表面积的商即为维氏硬度值(HV)。 维氏硬度值按式(3-2)计算: HV=常数×试验力/压痕表面积≈0.1891F/d2(3-2) 式中: HV——维氏硬度符号; F----试验力,N; d——压痕两对角线d1、d2的算术平均值,mm。 d的读法如图3—9所示,刻线对准压痕两对角线的顶点时,读取d值。 图3—9压痕对角线的测量 实际中是根据对角线长度d通过查表得到维氏硬度值。 国家标准规定维氏硬度压痕对角线长度范围为0.020~1.400mm (3)维氏硬度的表示方法 维氏硬度表示为HV,维氏硬度符号HV前面的数值为硬度值,后面为试验力值。 标准的试验保持时间为10~15S。 如果选用的时间超出这一范围,在力值后面还要注上保持时间。 例如: 600HV30—表示采用294.2N(30kg)的试验力,保持时间10~15S时得到的硬度值为600;600HV30/20—表示采用294.2N(30kg)的试验力,保持时间20S时得到的硬度值为600。 (4)维氏硬度计操作规程 ①试样表面应平坦,试验面上应无氧化皮及外来污物,尤其不应有油脂,试样表面的质量应保证压痕对角线长度的测量精度,建议试样表面进行表面抛光处理。 ②试样或试验层厚度至少应为压痕对角线长度的1.5倍,试验后试样背面不应出现可见变形压痕。 ③对于小截面或外形不规则的试样,可将试样镶嵌或使用专用试台进行试验。 ④试验一般在10℃--35℃室温下进行,对于温度要求雅阁的试验,室温应为23℃±5℃。 ⑤应选用表3—4中的试验力进行试验。 ⑥试台应清洁且无其他污物(氧化皮、油脂、灰尘等)。 试样应稳固地放置于钢性试台上以保证试验过程中试样不产生位移。 7使压头与试样表面接触,垂直于试验面施加试验力,加力过 程中不应有冲击和振动,直至将试验力施加至规定值。 从加力开始至全部试验力施加完毕的时间应在2s~8s之间,试验力保持时间为10s--15s。 在整个试验期间,硬度计应避免受到冲击和振动。 8任一压痕中心到试样边缘距离,对于钢、铜及铜合金至少应 为压痕对角线长度长度的2.5倍;对于轻金属、铅、锡及其合金至少应为压痕对角线长度的3倍。 两相邻压痕中心之间的距离,对于钢、铜及铜合金至少应为压痕对角线长度的3倍;对于轻金属、铅、锡及其合金至少应为压痕对角线长度的6倍。 如果相邻压痕大小不同,应以较大压痕确定压痕间距。 9应测量压良两条对角线的长度,用其算术平均值按式3--2计 算维氏硬度值,也可按GB/T4340.4--2009查出维氏硬度值。 过程质量评定 金属材料的硬度测定记录与成绩评定见表3-5。 表3--5总得分_______________ 项次 项目和技术要求 实训记录 配分 得分 1 测定方法正确,按规程要求安全操作 20 2 叙述布式、洛式、维式硬度值确定时的主要区别、应用范围和标注 20 3 叙述金属材料的牌号的含义及用途 20 4 测试结果及其分析 30 5 团队合作精神 10 金属材料的硬度测试结果见表3—6。 表3—6金属材料的硬度测试结果 编 号 材 料 布式硬度 洛式硬度 压痕直径(mm) HBS 一次 二次 三次 平均值 d1 d2 d平均 习题 (一)填空题 1.材料的力学性能的主要指标有 、 、 、 和 等。 2.圆形标准拉伸试样分为 和 。 长试样为 ,短试样为 。 3.屈服点表示的是材料抵抗 的能力;抗拉强度表示的是材料抵抗 的能力;刚度表示的是材料抵抗 的能力。 4.常用的测试硬度的方法有 、 和 。 5.HBS250--300应改为 ;600--650HBS应改为 ;5--10HRC应改为 ;HRC70--75应改为 。 6.屈服点用符号 表示;抗拉强度用符号 表示;断后伸长率用符号 表示;断面收缩率用符号 表示;洛氏硬度用符号 表示;布氏硬度用符号 表示;维氏硬度用符号 表示;冲击韧度用符号 表示。 7.按钢中碳的质量分数分,钢可分为 、 和 。 8.按钢的质量分,钢可分为 、 和 。 9.硫元素使钢产生 ,磷元素使钢产生 。 10.按石墨的形态分,铸铁可分为 、 、 和 。 11.在灰铸铁中石墨呈 状,在球墨铸铁中石墨呈 状,在可锻铸铁中石墨呈 状,在蠕墨铸铁中石墨呈 状。 12.铜合金有 和 两种。 13.非金属材料主要有 、 、 、 和 等。 14.复合材料是由 和 组成的。 其中基体的作用是 ;增强材料的作用是 。 (二)选择题: 1.测试HRC时,压头应选择( )。 A.顶角为120。 的金刚石圆锥体B.直径为1.588mm的淬火钢球C.直径为10mm的硬质合金球D.直径为10mm的淬火钢球 2.测试HRC的主载荷应选( )千克。 A.100B.50C.140D.150 3.下列写法正确的是。 A.5~10HRCB.20~25HRCN/mm2 C.200~250HBWD.70~75HRA 4.在测试洛氏硬度时,用( )计算硬度值。 A.压痕直径B.压痕面积 C.残余压痕深度增量D.压痕深度 5.材料抵抗塑性变形和断裂的能力称为( )。 A.强度B.硬度C.塑性D.弹性 6.一般工程图样上常标注材料的( ),作为零件检验的主要依据。 A.强度B.硬度C.塑性D.疲劳强度 7.用直径为10mm的淬火钢球作压头,施加29420N的力,测得压痕直径4.50mm则其硬度值为( )HBS。 A.179B.180C.177D.182 8.HRA的有效值范围为( )。 A.20--88B.20--100C.20--70D.33--90 9.中碳钢的碳的质量分数范围是( )。 A.O.77%~2.11%B.O.0218%~2.11% C.0.25%~O.6%D.O.6%~2.11% 10.钢中硫元素的质量分数过高
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