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实验三 金属材料的硬度实验
一、 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σ b及塑性指标ψ和δ）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：
① 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还是脆性材料均能发生塑性变形。
② 金属的硬度与强度指标之间存在如下近似关系：
σ b=K*HB
式中：σ b ——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＝0.34~0.36
合金调质钢 K＝0.33~0.35
有色金属合金 K＝0.33~0.53
③ 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。
④ 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。
⑤ 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大小的载荷P，将直径为D的钢球压入被测金属表面（如图3-1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F凹 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3-1 布氏硬度试验原理图

其计算公式如下：
HB＝P/F凹 （3-1）
式中： HB——布氏硬度值；
P——载荷（Kgf）；（1 Kgf＝9.8N）
F凹——凹痕面积（mm2）。
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： (3-2)
式中：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（3-1）式中h改换成d来表示，这可根据图3-1(b) 中△Oab的关系求出。

(3-3)
将式（3-2）和（3-3）代入式（3-1）即得：
(3-4)
式中只有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3000kgf）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保持不变。
根据相似原理由图3-1（b）中可知d和的关系是：
(3-5)
以此代入式（3-4）得：

(3-6)
式（3-6）说明，当值为常数时，为使HB值相同，也就保持为一定值。因此对同一材料而言，不论采用何种大小的载荷和钢球直径，只要能满足=常数，所得的HB值是一样的。对不同材料来说，所得的HB值也是可以进行比较的。按照GB231-63规定，比值有30、10和2.5三种，具体试验数据和适用范围可参考表3-1。
表3-1 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
140-450

140
6-3
4- 2
<2
>6
6-3
<3
30

10
10
5
2.5
10
5
2.5
3000
750
187.5
1000
250
62.5
10

10
铜合金及镁合金
36-130
>6
6-3
<3
10
10
5
2.5
1000
250
62.5
30
铝合金及轴承合金
8-35
>6
6-3
<3
2.5
10
5
2.5
250
62.5
15.6
60

（二）布氏硬度试验机的结构和操作
1、HB-3000型布氏硬度试验机的外形结构如图3-2所示。其主要部件及作用如下：
（1）机体与工作台：硬度机有铸铁机体，在机体前台面上安装了丝杠座，其中装有丝杠，丝杠上装立柱和工作台，可上下移动。
（2）杠杆机构：杠杆系统通过电动机可将载荷自动加在试样上。
（3）压轴部分：用以保证工作时试样与压头中心对准。
（4）减速器部分：带动曲柄及曲柄连杆，在电机转动及反转时，将载荷加到压轴上或从压轴上卸除。
（5）换向开关系统：是控制电机回转方向的装置，使加、卸载荷自动进行。

图3-2 HB-3000布氏硬度试验机外形结构图
1—指示灯；2—压头；3—工作台；4—立柱；5—丝杠；6—手轮；
7—载荷砝码；8—压紧螺钉；9—时间定位器；10—加载按钮
2、操作前的准备工作：
（1）根据表3-1选择压头，且将压头擦拭干净，装入主轴衬套中。
（2）根据表3-1选定载荷，加上相应的砝码。
（3）安装工作台。当试样高度＜120mm时，应将立柱安装在升降螺杆上，然后安装好工作台进行试验。
（4）根据表3-1确定持续时间T，然后将压紧螺钉拧松，把圆盘上的时间定位器（红色指示点）转到与持续时间相符的位置上。
（5）接通电源，打开指示灯，证明通电正常。
3、操作程序：
（1）将试样放在工作台上，顺时针方向旋转手轮，工作台上升，使压头压向试样表面直到手轮与下面螺母产生相对滑动为止。
（2）按动加载按钮，启动电动机，即开始加载荷。此时因压紧螺钉已拧松，圆盘并不转动，当红色指示灯闪亮时，迅速拧紧压紧螺钉，使圆盘转动。达到所要求的持续时间后，转动自动停止。
（3）逆时针方向旋转手轮，使工作台降下。取下试样用读数显微镜测量压痕直径d值，并查表确定硬度HB数值。
4、注意事项
（1）安装砝码时，一定将吊杆的本身重量187.5公斤加进去。
（2）试样厚度应不小于压痕直径的10倍。试验后，试样背面及边缘呈显变形痕迹时，则试验无效。
（3）压痕直径d应在以下范围内，否则无效。
0.24D<d<0.6D
（4）压痕中心至试样边缘应大于D，两压痕中心大于2D。
（5）试样表面必须平整光洁无氧化皮，以使压痕边缘清晰，保证精确测量压痕直径d。
（6）用显微镜测量压痕直径d时，应从相互垂直的两个方向上读取，取其平均值。
HB-3000B、HB-3000C是在HB-3000基础上改进的，具有比HB-3000硬度计操作更方便、测量更精确等特点。
四、洛氏硬度
(一) 洛氏硬度试验的基本原理
洛氏硬度同布氏硬度一样也属于压入硬度法，但它不是测定压痕面积，而是根据压痕深度来确定硬度值指标。其试验原理如图3-3所示。

图3-3 洛氏硬度试验原理图
洛氏硬度试验所用压头有两种：一种是顶角为120°的金刚石圆锥，另一种是直径为1/16"（1.588mm）的淬火钢球。根据金属材料软硬程度不一，可选用不同的压头和载荷配合使用，最常用的是HRA、HRB和HRC。这三种洛氏硬度的压头、负荷及使用范围列于表3-2。
表3-2 常见洛氏硬度的试验规范及使用范围
标尺所用符号/压头
总负荷kgf
表盘上刻度颜色
测量
范围
相当维氏
硬度值
应用范围
HRA
金刚石圆锥
60
黑色
70-85
390-900
碳化物、硬质合金、淬火工具钢、浅层表面硬化层
HRB
1/16"钢球
100
红色
25-100
60-240
软钢（退火态、低碳钢正火态）、铝合金
HRC
金刚石圆锥
150
黑色
20-67
249-900
淬火钢、调质钢、深层表面硬化层
表注： (1)金刚石圆锥的顶角为120°+30'，顶角圆弧半径为0.21±0.01mm
(2)初负荷均为10公斤
洛氏硬度测定时，需要先后两次施加载荷（初载荷及主载荷），预加载荷的目的是使压头与试样表面接触良好，以保证测量结果准确。图3-3中0-0位置为未加载荷时的压头位置，1-1位置为加上10 Kgf预加载荷后的位置，此时压入深度为h1，2-2位置为加上主载荷后的位置，此时压入深度为h2，h2包括由加载所引起的弹性变形和塑性变形，卸除主载荷后，由于弹性变形恢复而稍提高到3-3位置，此时压头的实际压入深度为h3。洛氏硬度就是以主载荷所引起的残余压入深度（h=h3-h1）来表示。但这样直接以压入深度的大小表示硬度，将会出现硬的金属硬度值小，而软的金属硬度值大的现象，这与布氏硬度所标志的硬度值大小的概念相矛盾。为了与习惯上数值越大硬度越高的概念相一致，采用一常数（K）减去（h3-h1）的差值表示硬度值。为简便起见又规定每0.002mm压入深度作为一个硬度单位（即刻度盘上一小格）。
洛氏硬度值的计算公式如下：

式中：
h1——预加载荷压入试样的深度（mm）；
h3——卸除主载荷后压入试样的深度（mm）；
K——常数，采用金刚石圆锥时K＝0.2（用于HRA、HRC）；采用钢球时K＝0.26（用于HRB）。
因此上式可改为：
HRC（或HRA）＝
HRB＝
（二）洛氏硬度试验机的结构和操作
图3-4 H-100型洛氏硬度试验机结构图
1—支点；2—指示器；3—压头；4—试样；
5—试样台；6—螺杆；7—手轮；8—弹簧；
9—按钮；10—杠杆；11—纵杆；12—重锤；13—齿轮；14—油压缓冲器；15—插销；
16—转盘；17—小齿轮；18—扇齿轮

1、H-100型杠杆式洛氏硬度试验机的结构如图3-4所示，其主要部分及作用如下：
（1）机体及工作台：试验机有坚固的铸铁机体，在机体前面安装有不同形状的工作台，通过手轮的转动，借助螺杆的上下移动而使工作台上升或下降。
（2）加载机构：由加载杠杆（横杆）及挂重架（纵杆）等组成，通过杠杆系统将载荷传至压头而压入试样，借扇形齿轮的转动可完成加载和卸载任务。
（3）千分表指示盘：通过刻度盘指示各种不同的硬度值（如图3-5所示）。

图3-5 洛氏硬度指示盘
2、操作规程：
（1）根据试样预期硬度按表3-2确定压头和载荷，并装入试样机。
（2）将试样置于工作台上，顺时针旋转手轮，使试样与压头缓慢接触，直到表盘小指针指在“3”或“小红点”处，此时即已预加载荷10Kgf。然后将表盘大指针调整至零点（HRA、HRC零点为0，HRB零点为30），稍差一些可转动读数盘调整对准。
（3）向前拉动右侧下方水平方向的手柄，以施加主载荷。
（4）当指示器指针停稳后，将右后方弧形手柄向后推，卸除主载荷。
（5）读数。采用金刚石压头（HRA、HRC）时读外圈黑字，采用钢球压头（HRB）时读内圈红字。
（6）逆时针旋转手轮，使工作台下降，取下试样，测试完毕。
3、注意事项：
（1）试样表面需平整光洁，不得带有油、氧化皮、裂缝、凹坑等。可用细砂轮或砂纸将工件表面磨平，磨制过程中工件表面温度不得超过150℃。
（2）根据工件的大小与形状选择适当的工作台，以保证试件能平稳的安放在工作台上，并使被测表面与压头保持垂直。
（3）根据被测金属材料的硬度高低，按表3-2选择压头、载荷。
（4）试样厚度应不小于压痕深度的10倍。两相邻压痕中心距离及压痕中心至试样边缘的距离不应小于3mm。
（5）加载时力的作用线必须垂直于试样表面。
4、洛氏硬度计的校验与调试：
（1）先检查硬度计安装是否平稳，把水平仪放在大工作台上检查水平（0.3/1000毫米以内）。
（2）检查与调试加载速度，在100公斤载荷空程（即未接触工件）时，行程时间规定为4-6秒。如果发现太快或太慢，可将缓冲器油的螺母旋出或旋入一些。
（3）调试：按标准块检查硬度示值超差时，可以调整测量杠杆的放大倍数。
将调整螺母松开，向后移动调整板，增加放大倍数，会使硬度值变低；反之，向前移动调整板，减少放大倍数，硬度值变高，再把螺钉拧紧，再用标准块检查，直到合格为止。
必须指出，有些硬度计由于预载荷、主载荷不准确或刀口磨损，甚至结构不合理，此时单靠调试测量杠杆可能达不到目的，应送生产厂修理或调试。
全洛氏硬度计操作说明：全洛氏硬度计用途比较广泛，它可以测量金属、硬纸板、塑料等；根据工件的材质，事先设置压头及载荷大小，
TH-300洛氏硬度计采用洛氏测量原理，具有测量精度高，测量范围宽，主试验力自动加卸载，测量结果数字显示并自动打印。有以下特点：
（1）结构独特 本硬度计采用特殊的压头结构，可以测试普通硬度计无法测到的表面，如环状、管状零件内表面。
（2）测量范围宽 可测HRA、HRB、HRC、HRE、HRF、HRG、HRH、HRK、HRL、HRM、HRP、HRS、HRV共15种标尺的硬度。
（3）辅助功能强 除一般硬度值测试外，具有以下辅助功能：上下线设置、超差判断报警、数据统计、求平均值、最大最小值；标尺转换，可将测试结果转换为HB、HV、HLD以及强度σb；曲面修正等。

五、 实验用设备、材料
1、设备如下：
HR-150A型洛氏硬度计
TH-300全洛数显硬度计
HB-3000、 HB-3000B、HB-3000C型布氏硬度计
2、标准硬度块若干
20#、45#、60#、T8、T10正火态试样若干；20#、45#、T10 淬火态试样若干；经抛光的45号钢正火态试样若干。树脂块若干。
六、实验内容
1、布氏硬度测量
取正火钢20、45、T10及铸铁试样各一个，打出压痕，并从相互垂直的两个方向上测量压痕直径，取其平均值，查表求得HBS值，将数据填入表1中。

表1 布氏硬度实验结果（正火态）

材料

20
45
T10
铸铁
压痕直径/mm
1
2
3
平均
1
2
3
平均
1
2
3
平均
1
2
3
平均

/

/

/

/
HBS

2、洛氏硬度测量
取淬火态20、45、T8试样各一个，用洛氏硬度计测量硬度值，将数据填入表2中。

表2 洛氏硬度实验结果（淬火态）

材料

20
45
T8
HRC
1
2
3
平均
1
2
3
平均
1
2
3
平均

换算成HBS
/

/

/

七、实验报告要求
1、实验目的
2、简述布氏和洛氏硬度试验原理。
3、简述布氏、洛氏硬度试验机的结构、操作步骤及注意事项。
4、将各试样的硬度测量结果填入上述表中。
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