金属材料硬度测试实验
一、实验目的:
1、了解淬火、回火工艺对典型碳钢性能的影响； 2、了解20、45、T11钢的热处理工艺；
3、掌握布氏硬度、洛氏硬度的测定方法及原理； 4、了解各钢号的淬火、回火不同工艺对应下的硬度。
二、 实验原理：
1、布氏硬度的测量原理
选择一事实上的载荷P，把直径为D的淬火钢球压入试件表面并保持一定时间，然后卸去载荷，测量钢球在试样表面压出的压痕直径d，计算出压痕面积，算出载荷P与压痕面积的比值，这个比值所表示的硬度就是布氏硬度，用符号HB表示。布氏硬度的测量原理如图14-4所示。设压痕的深度为h，则压痕的球冠面积为：
?DF??Dh?(D?D2?d2)2
P2PHB??kg/mm2F?D(D?D2?d2) （14-4）
图14-4 布氏硬度计试验原理示意图
式中：P----测试用的载荷（kg）； D----压头钢球的直径（mm）； d----压痕直径（mm）；
2
F----压痕面积（mm）。
布氏硬度的单位为kg/mm2，这是目前各国文献中常用的单位，通常只给出数值而不写单位，如HB200，若要换算成国际单位MPa，需要将硬度值乘以9.81。
布氏硬度的压头钢球直径有Φ2.5mm，Φ5mm，Φ10mm三种，载荷有15.6kg、62.5kg、182.5kg、250kg、750kg、1000kg、3000kg七种。可根据材料的软硬不同选择配合使用。在布氏硬度测量中只要满足P/D2为常数，则同一材料测得的布氏硬度值是相同的。不同材料测得的布氏硬度值也可以进行比较。为了提高测量精度，通常使0.25 同的材料使用不同的P/D2值。国家标准规定P/D2的比值为30、10、25三种。在测量中对较软的材料因塑性变形较大，施加载荷应小一些。 布氏硬度试验的优点是其硬度代表性全面，因压痕面积较大，能反映较大范围内金属各组成相综合影响的平均性能，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；试验数据稳定，数据重复性强，布氏硬度试验的缺点是其压头为淬火钢球。由于钢球本身的变形问题，致使不难试验太硬的材料。一般在HB450以上就不能使用；由地压痕较大，成品检验有困难；试验过程比洛氏硬度较为复杂，不能由硬度计上直接读数（需用带刻度的低倍放大镜测出压痕直径，然后通过查表得到布氏硬度值）。 2、洛氏硬度的测量原理 洛氏硬度法是采用金刚石圆锥体（锥角为120°）和采用淬火钢球（直径为1.588毫米）做压头。一般较硬的金属材料（如淬火后的工件）用金刚石压头；较软的金属材料则用钢球压头。其测试压痕为可见，所以人们认为其是宏观硬度测试。 洛氏硬度的测试原理是根据压头压入试样表面的不可变的压痕深度来比较材料的硬度数值的高低。 如果直接以压痕深度大小作为计量指标，则会出现硬金属的硬度值小，而软金属的硬度值反而大的现象，这不符合人们的一般习惯。因此，用一个选定的常数K来减去所得压痕深度值作为洛氏硬度的指标，即 HR?K?h 当以钢球为压头时，K=0.26；以金刚石锥体为压头时，K=0.2。此外，在读数上又规定以压入深度0.002毫米作为标尺刻度的一格，这样，前者的0.26常数相当于130格，后者的0.2常数相当于100格，因此，洛氏硬度值可由下式确定： h(红色表盘）0.002 hHRC?100?(黑色表盘）0.002HRB?130?因此可知，当压痕深度h=0.2mm时，HRB=30，HRC=0，这也说明为什么HRB要取0.26作为常数的原因。因为，B标尺是测试较软的金属材料，试验时有的压痕深度可能超过0.2mm以上，若取0.2作为常数，硬度将会得到负值，为此，常把HRB的常数取得大些。 应用范围很广，可用于试验各种钢铁原材料、有色金属、经淬火后高硬度工件、表面热处理工件及硬质合金等。优点是压痕小（对试样的外观没有损害、影响），可测量高硬度，可直接读数，操作方便，效率高 三、实验设备、耗材 箱式加热炉三台、井式炉三台、火钳、淬火水桶、淬火油桶、预磨机，砂轮机、抛光机、HB-3000布氏硬度计、HRC-150洛氏硬度计、金相显微镜 耗材名称 规格 20钢 Φ14 45钢 Φ14 T12钢 Φ14 氢氧化钠 500g 无水乙醇 500ml 盐酸 500ml 硝酸 500ml 金相砂纸 600# 金相砂纸 800# 金相砂纸 400# 定性滤纸 食用盐 500g 玻璃烧杯 100ml 玻璃烧杯 200ml 玻璃烧杯 500ml 量筒 10ml 量筒 50ml 玻璃棒 6-7*250mm 塑料洗瓶 500ml 石棉手套 加大加长 布手套 纱手套 档案袋 淬火油 20# 脱脂棉 镊子 尖头 抛光粉（三氧化二铬） 抹布 垃圾袋 洗洁精 大瓶 毛巾 香皂 洗衣粉 大包 卷纸 裁纸刀 刷子 草纸 撮箕 扫把 拖把 单位 个 个 个 瓶 瓶 瓶 瓶 张 张 张 包 包 个 个 个 个 个 支 个 双 双 双 个 kg 包 把 瓶 条 个 瓶 条 块 包 卷 把 把 包 个 个 把 数量 21 21 21 1 1 1 1 63 63 63 1 1 10 4 2 1 1 5 5 5 5 5 2 1 1 5 2 5 2 1 3 2 1 2 2 3 1 1 1 1 四、实验方案 （一）、方法步骤 1.测试20、45钢和T11的初始态硬度。 2.将剩下的试样进行淬火处理。 3.分别取出1个试样，测出淬火态下的洛氏硬度，并观察组织。 4.将剩余的试样分组，分别进行低温，中温，高温回火。 5.测出不同回火态下试样的洛氏硬度。 （二）、各种热处理参数 1.温度：T11钢850℃、45钢880℃；20钢920 ℃ 淬火 2.时间：保温20分钟 3.冷却介质： 10%盐水 1.低温回火180 ℃ 保温：30分钟 空冷 回火 回火 2.中温回火350 ℃ 保温：30分钟 空冷 3.高温回火560 ℃ 保温：30分钟 空冷 （三）、洛氏硬度计测硬度的使用步骤。 ⑴ 选择压头及载荷。 ⑵ 按照试样形状、大小选取载物台，然后将试样的上下两面磨平，置于载物台上。 ⑶ 预加载荷，依顺时针方向旋转升降手轮，使试样与压头接触，并观察读数百分表上小指针移动到小红点处，大指针在B-C线左右2分度格之内为止。 ⑷ 手动调整读数盘，使百分表盘上的长指针对准硬度值的起点。如果试验 HRB时，使长指针与表上红字B处对准；如果试验HRC、HRA时，则把长指针与表上黑字C处对准。 ⑸ 加主载荷，平稳地向自己的方向扳动加荷手柄，手柄扳动到位后即可松开，待表盘上的指针处于稳定不动状态（应当确定较为固定的载荷保持时间）。 ⑹ 卸主载荷，向远离自己的方向平稳地推动卸载手柄，恢复到原来加荷前的位置。 ⑺ 读出硬度值：长针指向的数字为硬度值。HRB读里圈的红色数字；HRC、HRA读外圈的黑色数字。 ⑻ 卸预载荷：逆时针方向旋转升降手轮，使试样与压头脱离接触，并略微远离。 ⑼ 重新选取新的测试位置，或变换测试试样，从⑶~⑻重复进行。 （四）布氏硬度计使用的步骤如下： (1) 根据试件材料选择合适的压头和载荷。 (2) 加预载。 (3) 加主载并保持一定的时间。 (4) 卸载。 (5) 将试样取下，用带刻度的低倍放大镜测压痕直径d。 (6) 查《压痕直径与布氏硬度对照表》得到布氏硬度值。 五、实验数据处理 实验数据表（硬度单位：HRC） 分组 牌号 原钢 硬度 淬火 180℃回火 350℃回火 560℃回火 硬度(HRC) 硬度(HRC) 硬度(HRC) 硬度(HRC) 1 2 3 20钢 45钢 T12钢 还有HRB,HB同上 六、注意事项 1、试样淬火时，一定要用夹钳夹紧，动作要迅速，同时搅动冷却介质。 2、取放试样时，应切断电路电源； 3、炉门开关要快，以免炉温下降和损坏炉膛的耐火材料与电阻丝的寿命； 4、取放试样时，夹钳应擦干，不能沾有水或油，同时，操作者应带上手套避免灼伤。 5、侧硬度前，必须用砂轮或砂纸将试样表面的氧化皮除去并磨光，每个试样在不同的部位测定三次硬度，取其平均值
