金属材料硬度测试实验

实 验 报 告

课程名称： 材料性能研究技术 成绩： 实验名称： 金属材料硬度测试实验 批阅人： 实验时间： 实验地点：x5406 报告完成时间：2 姓 名： 学号： 班级：

同组实验者： 指导教师：

一、实验目的

1.了解不同类型硬度测试的基本原理。

2.了解不同类型硬度测试设备的特点及应用范围。

3.掌握各类硬度计的操作方法。

二、实验原理

金属的硬度可以认为是金属材料表面在压应力作用下抵抗塑性变形的一种能力。硬度测试能够给出金属材料软硬度的定量概念，即：硬度示值是表示材料软硬程度的数量指标。由于在金属表面以下不同深度处材料所承受的应力和所发生的变形程度不同，因而硬度值可以综合地反映压痕附近局部体积内金属的弹性、微量应变抗力、应变强化能力以及大量形变抗力。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。硬度的大小对于机械零件或工具的使用寿命具有重要的影响。

硬度测试方法有很多，大体可以分为弹性回跳法（如肖氏硬度）、压入法（如布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度）和划痕法（如莫氏硬度）等三类。

硬度是表征金属材料软硬程度的一种性能，其物理意义随着试验方法的不同而表示不同的意义。其中弹性回跳法主要表征金属弹性变形功的能力；压入法主要表征金属塑性变形抗力及应变硬化能力；而划痕法主要表征金属切断能力。 下面介绍三种最常用的硬度测试方法：

1、布氏硬度

（1）布氏硬度试验原理

用一定直径D（mm）的硬质合金球作为压头，用一定的试验力F（N），将其压入试样表面，经过规定的保持时间t（s）之后卸载试验力，观察试样表面，会发现有残留压痕（如图1）。测残留压痕的平均直径d（mm），然后求出压痕球形面积A（mm²）。布氏硬度值（HBW）就是试验力F除以压痕表面积A所得的商，F以N作为单位时，其计算公式为

0.102F0.204FHBW==AπD(D-D2-d2)

注：布氏硬度值不标出单位

布氏硬度试验用的压头球直径有10mm、5mm、2.5mm和1mm四种，主要根据试验厚度选择，选择要求是使压痕深度h小于试样厚度的1/8 。当试样厚度足够时，应尽量选用10mm的压头球。

（2）布氏硬度的特点

布氏硬度试验时一般采用直径较大的压头球，所以它所得的压痕面积会比较大。

压痕面积大的一个优点就是它的硬度值能反映金属在较大范围内各组成相的平均性能，而不会受到个别的组成相和微小相的影响，所以说，布氏硬度试验主要用于测定灰口铸铁，轴承合金等具有粗大晶粒或组成相的金属材料的硬度；压痕较大的另外一个优点就是实验的数据稳定，重复性强。

但是压痕面积较大的缺点就是不能再成品上进行试验，布氏硬度的另外一个缺点就是对于不同的材料需要更换不同直径的压头球并且需要改变试验力，压痕直径的测量也会比较麻烦，所以一般不用于自动检测。

（3）布氏硬度的表示方法

布氏硬度值与试验规范有关，所以它的表示方法能反映规范的内容，布氏硬度的表示方法有：①硬度值；②符号HBW；③球直径；④试验力；⑤试验力保持时间（10s-15s不标注）。后3项之间各用斜线隔开。如600HBW1/30/20 表示用直径1mm的硬质合金球在294.2N试验力下保持20s测得的不是硬度值为600。

需要注意的是：在布氏硬度表示方法中，试验力的单位是千克力（kgf），2者的换算关系是1kgf=9.80665N。

2、洛氏硬度

（1）洛氏硬度试验原理

洛氏硬度是通过测量压痕深度来表示材料的硬度值。洛氏硬度试验所用到的压头有两种：一种是一定直径的小淬火钢球或硬质合金球；另外一种就是圆锥角α=120°的金刚石圆锥体。

试验时，先加初试验力F0，在试样表面得到一压痕，深度为h0。此时，此时，测量压痕深度的指针在表盘上指零。然后加上住试验力F1，压头压入深度为h1。表盘上指针以逆时针方向转动到相应的刻度位置。试样在F1作用下产生的总变形h1中包括弹性变形与塑性变形。当F1卸除后，总变形中的弹性变形恢复，压

（h1-h）头回升一段距离 。这时试样表面残留的塑性变形深度h即为压痕深度，

而指针顺时针方向转动停止时所指的数值就是洛氏硬度值。

规定每0.002mm的压痕深度为一个硬度单位。于是洛氏硬度值（HR）的计算公式：

错误！未找到引用源。

式中，当使用金刚石圆锥压头时，k=0. 2mm：当使用淬火钢球或硬质合金压头时，k=0.26 mm。

（2）洛氏硬度的特点

洛氏硬度试验的优点是：压痕较小，可在工件上进行试验；操作简便，迅速，硬度值可以直接读出；采用不同的标尺可以测定各种软硬不同的金属盒厚薄不一的试样的硬度，所以广泛用于热处理的质量检测。

它的缺点是：压痕较小，代表性差；若材料中有偏析和组织不均匀等缺陷，则其测得的硬度重复性差，分散度大；由于用不同的标尺所测得的硬度值彼此没有联系，所以不能够直接比较。

（3）洛氏硬度的表示方法。

不同的压头和试验力对应不同的洛氏硬度标尺。一般经淬火处理的钢或工具都采用HRC测量。

洛氏硬度的表示方法是：硬度值，符号HR，标尺字母。如70HRC表示用C标尺所测得的洛氏硬度值为70。

3、维氏硬度

（1）维氏硬度试验原理

维氏硬度是根据压痕单位面积所承受的试验力来计算硬度值的，其压头是两相对面间夹角α为136°的金刚石四棱椎体。压头在试验力F（N）作用下将试样的表面压出一个四方锥形的压痕，经过一定的保持时间后卸载试验力，测出压痕对角线的平均长度d[d=（d1+d2）/2],用来计算压痕表面积A（mm²）。维氏硬度值（HV）为试验力F除以压痕表面积A所得的商，即

0.102F0.204Fsin(136︒/2)FHV===0.1891 22Add

注：维氏硬度值不标注单位。

维氏硬度采用正四棱锥体做压头的原因,是当改变试验力时压痕的几何形状总保持相似，而不致影响硬度值。维氏硬度常用的试验力范围为49.03-980.7N，使用时应视材料的厚度及预期的硬度,尽可能的采用较大的试验力，以减小压痕尺寸的测量误差。

如果维氏硬度试验时所选用的试验力较小，在0.098N-0.9807N之间，则课测定金属箔、极箔的表面层的硬度以及合金中各种组成相的硬度。由于压痕的尺寸较小，所以为了提高精度，需要配用显微放大装置，这就是显微维氏硬度试验。

（2）维氏硬度的特点

维氏硬度的优点是：不存在洛氏硬度试验时不同标尺无法统一的弊端；不存在布氏硬度试验时要求试验力F与压头直径D之间所规定的条件的约束；试验时试验力可以任意选取，而且压痕测量的精度较高，测得的硬度较为准确。

缺点是由于硬度值需要通过测量压痕对角线长度后才能进行计算或查表，所以工作效率低。

（3）维氏硬度的表示方法是：硬度值，符号HV，试验力，试验力保持时间（10-15s不标注）。如600HV30表示试验力为294.2N下保持10-15s测得的维氏硬度为640。 对比三种硬度测试方法，布氏硬度适用于硬度较低的材料，一般小于HRC15，如有色金属、低碳钢等；洛氏硬度则可以测高硬度的材料，硬度值在HRC20—67

之间；维氏硬度的应用非常广泛，特别适用于测试表面处理层等小范围的硬度，但是测试前试样必须抛光处理。

二、实验设备及材料

1、实验设备：布氏硬度计，洛氏硬度计，数字式显微硬度计，测量显微镜。

2、实验材料：A3钢正火，45#钢淬火+回火，A3钢退火。

三、实验内容

1、制备样品

首先，取A3钢和45#钢进行如下表所示的热处理：

表1 热处理方案

3#试样还要用硝酸酒精溶液进行腐蚀处理。

2、硬度测试

对3个试样，分别利用与其对应的硬度测试方法测出其硬度值，并记录于表2中：

表2 硬度测试结果

四、结果分析

从表1中拟定的不同材料的硬度测试方法和表2中硬度测试的结果分析可知：

A3钢正火试样的硬度值较低，用布氏硬度测得，这是因为A3钢正火组织为P+F，其硬度较低，而布氏硬度适合于测试较软的材料，如有色金属和低碳钢等，其可测试的硬度值一般小于HRC15。

45#钢淬火+回火试样的硬度值较高，测试的是其洛氏硬度，这是因为45#钢淬火+回火组织是回火马氏体，为较硬的组织，洛氏硬度可以测试较硬的材料，

其可测硬度值在HRC20—HRC67之间。

对于3#试样A3钢退火材料，其组织为珠光体+铁素体，本实验中要测试的是珠光体和铁素体的硬度，测试的是显微组织的硬度，而维氏硬度具有可以测试微观组织硬度的优点，所以只有使用维氏硬度来测量，但是试样测试前必须进行抛光处理。另外，通过对比珠光体和铁素体的硬度，也验证了铁素体硬度大于珠光体的结论。

五、体会