文档介绍：工程材料及热处理
实验指导书
北京理工大学珠海学院机械与车辆学院
实验一金属材料的硬度实验
—、实验目的
1、 了解硬度测定的基本原理及应用范围。
2、 了解布氏、洛氏硬度实验机的主要结构及操作方法。
二、 概述
金属的硬度可以认为是金属材料表面在接触应力作用下抵抗塑性变形的一种能力。硬度 测量能够给出金属材料软硬程度的数量概念。硬度值越高，表明金属抵抗塑性变形的能力越 大，材料产生塑性变形就越困难。另外硬度与其他机械性能（如强度指标Ob及塑性指标屮 和6）之间有着一定的内在联系。所以从某种意义上说硬度的大小对于机械零件或工具的使 用性能及寿命具有决定性意义。
测量硬度的方法很多，在机械工业中广泛采用压入法来测定硬度，压入法又分为布氏硬 度、洛氏硬度、维氏硬度等。
压入法硬度试验的主要特点是：
实验时应力状态最软，（即最大切应力远远大于最大正应力）因而不论是塑性材料 述是脆性材料均能发生塑性变形。
金属的硬度与强度指标之间存在如下近似关系：
Ob=K*HB
式屮：Ob——材料的抗拉强度值； HB——布氏硬度值 K—— 系
数
退火状态的碳钢 K=- 合金调质钢 K=~
有色金属合金 K=~
硬度值对材料的耐磨性、疲劳强度等性能也有一定的参考价值，通常硬度值高，这 些性能也就好。在机械零件设计图纸上对机械性能的技术要求，往往只标注硬度值，其原因 就在于此。
硬度测量后由于仅在金属表面局部体积内产生很小压痕，并不损坏零件，因而适合 于成品检验。
设备简单，操作迅速方便。
三、 布氏硬度
（一）布氏硬度试验的基本原理
布氏硬度试验是施加一定人小的载荷P,将直径为D的钢球压入被测金属表面（如图 1-1所示）保持一定时间，然后卸除载荷，根据钢球在金属表面上所压出的凹痕面积Fm求
出平均应力值，以此作为硬度值的计量指标，并用符号HB表示。
图1-1 布氏硬度试验原理图
其计算公式如下：
HB = P/F | （1-1）
式中： HB——布氏硬度值；
P 载荷（Kgf）； （lKgf=）
F h 凹痕面积（mm?）。
根据压痕面积和球面之比等于压痕深度和钢球直径之比的几何关系，可知压痕部分的球
面积为：Fpq = TiDh （1-2）
式屮：D 钢球直径（mm）； h 压痕深度（mm）
由于测量压痕直径d要比测定压痕深度h容易，故可将（1-2）式中h改换成d来表示, 这可根据图3-1（b）中AOab的关系求出。
卩―（纤—（纤
(1-3)
力=!（D_Jr）2_d2）
将式（1-2）和（1-3）代入式（1-1）即得:
HB =
P
7iDh
2P
tvD(D-^D2-d2)
(1-4)
式屮只有d是变数，故只需测出压痕直径d,根据已知D和P值就可计算出HB值。在 实际测量时，可由测出之压痕直径d直接查表得到HB值。
由于金属材料有硬有软，所测工件有厚有薄，若只采用同一种载荷（如3OOOkgf）和钢 球直径（如10mm）时，则对硬的金属适合，而对极软的金属就不适合，会发生整个钢球陷 入金属中的现象；若对于厚的工件适合，则对于薄件会出现压透的可能，所以在测定不同材 料的布氏硬度值时就要求有不同的载荷P和钢球直径D。为了得到统一的、可以相互进行比 较的数值，必须使P和D之间维持某一比值关系，以保证所得到的压痕形状的几何相似关
系，其必要条件就是压入角0保持不变。
根据相似原理由图1-1 (b)中可知d和0的关系是:
(1-5)
—sin— 或 d =Dsm —
2 2 2 2
以此代入式(1-4)得：
(1-6)
P
式(1-6)说明，当0值为常数时，为使HB值相同，帀也就保持为一定值。因此对
P
同一材料而言，不论采用何种人小的载荷和钢球直径，只要能满足常数，所得的HB
D2
值是一样的。对不同材料来说，所得的HB值也是町以进行比较的。按照GB231-63规定， ―,比值有30、，具体试验数据和适用范围可参考表1-1。
表1-1布氏硬度试验规范
材料
硬度范围
(HB)
试样厚度
(mm)
P/D2
钢球直径
D(mm)
载荷P
(kgf)
载荷保持 时间(S)
黑色金属
140-650
>6
30
10
3000
12
6-3
5
750
<3
<140
>6
30
10
3000
30
6-3
5
750
<3
铜合金及 镁合金
-140
>6
10
10
1000