实验一材料硬度测定(综合性)
一、实验内容
1.金属布氏硬度实验。
2.金属洛氏硬度实验。
二、实验目的及要求
该实验的目的是使学生熟悉金属布氏、洛氏、维氏硬度计的使用方法，巩固硬度试验方法的理论知识，掌握各种硬度计的结构原理、操作方法及注意事项。要求学生具有踏实的理论知识，同时也具有严谨、一丝不苟的作风。
三、实验条件及要求
（一）实验条件
1.布氏硬度计、洛氏硬度计和显维硬度计，读数放大镜，标准硬度块。
2.推荐试样用材：灰铸铁、经调质处理的45钢、淬火低温回火的T10钢。
（二）要求
制备试样过程中不得使试样因冷、热加工影响试验面原来的硬度。试验面应为光滑的平面，不应有氧化皮及污物，测布氏硬度、洛氏硬度时试验面的粗糙度Ra≤0.8μm。
试验时，应保证试验力垂直作用于试验面上，保证试验面不产生变形、挠曲和振动。试验应在10～35℃温度范围内进行。
不同硬度试验对试样及试验操作尚有具体要求。
四、实验相关知识点
1.硬度试验原理。
2.对试样的要求。
3.硬度试验方法的选择。
4.各种硬度计的结构原理、操作方法及注意事项。
5.试验数据的获得。
6.不同硬度试验方法的关系。
五、实验实施步骤
（一）金属布氏硬度试验
金属布氏硬度值是单位压痕表面积所承受的外力。
1.试验规范的选择
布氏硬度试验时应根据测试材料的硬度和试样厚度选择试验规范，即压头材料与直径、F/D2值、试验力F及试验力保持时间t。
（1）压头材料与直径的选择压头为硬质合金球。
球体直径D的选择按GB/T231.1-2009《金属布氏硬度试验方法》有五种，即10mm、5mm、2.5mm、2mm和1mm。压头直径可根据试样厚度选择，见压头直径、压痕平均直径与试样最小厚度关系表。选择压头直径时，在试样厚度允许的条件下尽量选用10mm球体作压头，以便得到较大的压痕，使所测的硬度值具有代表性和重复性，从而更充分地反映出金属的平均硬度。
（2）F/D2、试验力F及试验力的选择 F/D2比值有七种：30、15、10、5、2.5、1.25和1，其值主要根据试验材料的种类及其硬度范围来选择。
球体直径D和F/D2比值确定后，试验力F也就确定了。
试验须保证压痕直径d在（0.24～0.6）D范围内，试样厚度为压痕深度的10倍以上。
（3）试验力保持时间t的选择试验力保持时间t主要根据试样材料的硬度来选择。黑色金属：t＝10～15s；有色金属：t＝（30±2）s；<35HBW的材料：t＝（60±2）s。
2.布氏硬度试验过程
（1）试验前，应使用与试样硬度相近的二等标准布氏硬度块对硬度计进行校对，即在硬度块上不同部位测试五个点的硬度，取其平均值，其值不超过标准硬度块硬度值的±3％方可进行试验，否则应对硬度计进行调整、修理。
（2）接通电源，打开电源开关。将试样安放在试验机工作台上，转动手轮使工作台慢慢上升，使试样与压头紧密接触，直至手轮与螺母产生相对滑动。同时应保证试验过程中试验力作用方向与试验面垂直，试样不发生倾斜、移动、振动。
启动按钮开关，在施力指示灯亮的同时迅速拧紧压紧螺钉，使圆盘随曲柄一起回转，直至自动反向转动为止，施力指示灯熄灭。从施力指示灯亮到熄灭的时间为试验力保持时间，转动手轮取下试样。
（3）用读数显微镜在两个互相垂直的方向测量出试样表面的压痕直径d1 。
（4）重复以上操作，至少测三个点，取压痕直径的算术平均值作为压痕直径d。
（5）根据压痕直径d计算或查表求得布氏硬度值。
测量布氏硬度时，应保证：试样厚度至少为压痕深度的10倍，试验后支撑面应无可见变形痕迹；压痕中心至试样边缘的距离应不小于压痕平均直径的2.5倍；两相邻压痕中心距离不小于压痕平均直径的4倍；当试样硬度小于35HBW 时，上述距离分别为压痕平均直径的3倍和6倍。
（二）金属洛氏硬度试验
1.金属洛氏硬度试验方法
金属洛氏硬度试验常用的三种标尺HRA、HRB、HRC的压头有两种：顶角为120º的金刚石圆锥体和Ф1.588mm（1/16″）的淬火钢球。所施加的外力有两类：初试验力（98.1N）和主试验力。初试验力是为了使压头与试验表面紧密接触，避免因试样表面不平整而影响试验结果的准确性，主试验力使试样表面产生所需压痕。试验时先施加初试验力，然后施加主试验力。卸除主试验力后，将会在试样表面上留下主试验力引起的塑性变形而产生的压痕。如压痕深度为h，则洛氏硬度值为：HR=k-(h/0.002)=k-e, k值因压头不同而异：金刚石圆锥体压头时，k＝100；淬火钢球压头。K＝130。
洛氏硬度三种标尺的试验条件和应用见教材相关表格。
2.金属洛氏硬度试验过程
（1）试验前，应对硬度计进行校对，方法与布氏硬度计的校对方法相同。要求平均硬度值不超过标准块硬度值的±1％～1.5％时，方可进行试验，否则，应对硬度计进行调整、修理。
（2）将试样稳定地放置在试验机工作台上，旋转硬度计手轮使工作台和试样一起上升，试样表面与压头接触后继续转动手轮，度盘指针开始转动，说明已开始施加初试验力，至98.1N（10kgf，指针达到规定标志）时，停止转动手轮。
（3）调整表盘使指针指向零点（测HRB时对准“30”）时后，在4～8s 内施加完主应力。
（4）试验力的保持时间以指针基本停止移动为准开始计算时间，其时间推荐如下：施加试验力后不随试样继续变形的试样，保持时间为≤2s；加试验力后
随时间慢慢变形的试样，保持时间为6～8s；加试验力后随时间有明显变形的试样，保持时间为20～25s。
（5）在2s内平稳地卸除主试验力，保持初试验力。
（6）从相应的标尺刻度上读出硬度值，精确度应为0.5刻度。
（7）重复以上操作，对每个试样的试验次数不得少于4次（第一次不计）。
（8）采用读数范围作为硬度值或采用读数的算术平均值作为硬度值。
测量试样的洛氏硬度值时，每次更换压头、载物台或支座后的最初两次试验结果不能采用。保证相邻压痕中心距及压痕中心至边缘距离均不小于3mm。
六、思考题
1、两种硬度试验方法的测量原理有何不同？
2、两种硬度试验方法的应用范围是什么？
3、金属布氏、洛氏硬度计的操作注意事项有何不同？
4、实验数据是如何获得的？两种硬度试验方法获得实验数据的途径有何不同？
5、如何表示硬度数值？
