材料硬度测定

材料硬度测定
一、实验内容
1、金属布氏硬度实验。
2、金属洛氏硬度实验。
3、金属维氏硬度实验和显微维氏硬度实验。
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
布氏硬度计、洛氏硬度计、维氏硬度计和显维硬度计，读数放大镜，标准硬度块。
推荐试样用材：灰铸铁、硬质合金、经渗氮后的 38CrMoAl、经渗碳淬火后的20 钢、
经调质处理的45 钢、淬火低温回火的T12 钢、黄铜。
（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，试验面的粗糙度因试验方法不同而不同：测布氏硬度、洛氏硬
度时，Ra≤0.8μm；测维氏硬度时，Ra≤0.2μm；测小负荷维氏硬度和显维硬度时，Ra≤
0.1μm、如果测定相的硬度时，试验面应进行抛光和腐蚀制成金相试样。
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 压头有淬火钢球和硬质合金球两种。淬火钢球适用于测
量450HBS 以下材料（如热轧或正火、退火钢材，灰铸铁，有色金属及其合金等）的硬度，
硬质合金压头适用于测量450HBS 以上材料（如调质钢、淬火钢）的硬度。
球体直径D 的选择按GB231-2003《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；<35HBS 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35HBS 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。
（三）金属维氏硬度试验
1、金属维氏硬度试验方法
金属维氏硬度试验方法与布氏硬度试验方法基本相同，也是根据压痕单位表面积所承
受的试验力来表示硬度值，不同之处是维氏硬度试验所用压头是两对面夹角为136º的金刚
石正四棱锥体。对试样施力后，将在试样表层压出一个正四棱锥形的压痕，保持规定时间卸
除试验力后，测量压痕表面正方形（实际情况下可能为菱形等形状）的对角线长度d1、d2，
取其算术平均值d(d=( d1+d2)/2),由d 值可通过计算或查表可得维氏硬度值。
1）试验方法及试验力的选择
维氏硬度试验常用试验力范围为49.03～980.7N。使用时应根据材料的预期硬度、试样
厚度、试验目的进行选择。尽可能选用较大试验力，以减小压痕尺寸的测量误差。
2）试验力保持时间的选择 试验力保持时间因材料不同而异：黑色金属为10～15s；
有色金属为（30±2）s。
2、金属维氏硬度试验过程
1）试验前的准备工作
估计或验证试样或试验层厚度至少为压痕对角线平均长度的1.5 倍。
对硬度计进行检查。在没有安装试样的状态下启动硬度计，检查各部位的运转情况，
然后用二等标准硬度块检查硬度计的示值精度是否在允许范围内（±3％硬度块示值），如果
超差时，应排除故障后方能进行实验。
试验力的选择应根据试样厚度、预计硬度值及硬化层深度来选择。为得到精确的试验
结果，应尽量选用较大的试验力，但试样硬度大于500HV 时，不允许选用大于490.3（50kgf）
的试验力，以免损坏压头。
当测定金属表面处理后的硬度时，表面处理层越薄，应选择越小的试验力。如不知道
表面层硬度时，可选择不同级别的试验力由小级别到大级别进行尝试性试验，直到两级试验
力测出的硬度值基本相等为止，并选用小一级试验力进行正常实验。
2）维氏硬度试验过程
选择试验力；接通电源，打开电源开关；根据所需试验力，转动手柄使所需试验力数
字对准标记；将试样放在工作台上，试验力施加时间为2～8s，此时指示灯亮，试验力保持
一段时间（黑色金属为10～15s；有色金属为（30±2）s），卸除试验力，指示灯熄灭；转
动手轮使实验表面脱离金刚石压头（约7mm）；转动转盘手柄使物镜对准压痕，转动手轮至
能在测微目镜中看到清晰的压痕为止；测量压痕两对角线长度，取其算术平均值即为压痕对
角线长度；根据压痕对角线长度和所用试验力在维氏硬度换算表中查出硬度值；重复上述步
骤，每个试样至少测量三个点，且两相邻压痕中心距和任一压痕中心距试样边缘距离是：黑
色金属，≥2.5d；有色金属，≥5d；同时同一压痕对角线d1、d2，之差不超过短对角线长度
的2％。
3）显微维氏硬度试样过程
制备试样；调节显微硬度计底座下面的螺钉，使圆水泡居中，将仪器的工作台处于水
平位置；根据材料的情况选择合适的试验力和保持时间；接通电源，打开开关；将试样放在
工作台上，使之在显微镜的物镜下，转动升降手柄，调整焦距，并转动纵、横向微分筒，在
视场里找出待测区域；通过手柄移动工作台至压头下（移动时试样不要活动）；施加试验力，
试验力的施加时间不大于10s，保持10～15s；卸除试验力，将工作台轻轻移至显微镜的物
镜下（移动时不要让试样活动）；测量压痕对角线长度，调整纵、横微分筒和测微目镜的鼓
轮，使压痕的棱角和目镜中十字交叉线中心精确地重合，读出所测数值，然后转动鼓轮使十
字交叉线中心对准压痕的对面棱角（有时楞边不是一直线，而是一曲线时，应以棱角顶点为
准），读出所测数值。两值之差即为压痕对角线长度，根据放大倍数求出压痕对角线实际长
度；根据试验力、对角线长度在显微维氏硬度换算表中查出硬度值；重复上述步骤，每个试
样一般不少于3 个测试点，测对角线长度时测量精度应达到0.4％或0.2μm，相邻两压痕中
心距离和压痕中心至试样边缘应大于2.5d(d 以大压痕的对角线计算)。
六、思考问题
1、三种硬度试验方法的测量原理有何不同？
2、三种硬度试验方法的应用范围分别是什么？
3、金属布氏、洛氏、维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？三种硬度试验方法获得试验数据的途径有何不同？
5、如何表示硬度数值？
七、实验成绩评定办法
1、现场观察能力方面：20 分。
2、现场记录和资料搜集方面：20 分。
3、发现问题及解决问题能力方面：20 分。
4、动手操作和现场回答问题方面：20 分。
5、实验结果和实验效果方面：20 分。