《材料力学性能》实验指导书2

一、 实验目的

1、了解布氏硬度和洛氏硬度的测定方法。

2、掌握布氏、洛氏硬度试验计的基本构造和操作方法。 二、 实验内容及步骤

1、布氏硬度的测定

布氏硬度的测定在HB-3000型布氏硬度机上进行。 (1)实验原理

布氏硬度数值通过布氏硬度试验测定。布氏硬度试验是指用一定直径的球体（钢球或硬质合金球）以相应的试验力压入被测材料或零件表面，经规定保持时间后卸除试验力，通过测量表面压痕直径来计算硬度的一种压痕硬度试验方法。

布氏硬度值是试验力除以压痕球形表面积所得的商。使用淬火钢球压头时用符号HBS，使用硬质合金球压头时用符号HBW，计算公式如下：

HBS（HBW）=0.102

式中：F—试验力（N）； D—球体直径（mm）； d—压痕平均直径（mm）。

由上式可以看出，当F、D一定时，布氏硬度值仅与压痕直径d的大小有关。所以在测定布氏硬度时，只要先测得压痕直径d，即可根据d值查有关表格得出HB值，并不需要进行上述计算。

国家标准GB231-1984规定，在进行布氏硬度试验时，首先应选择压头材料，布氏硬度值在450以下（如灰铸铁、有色金属及经退火、正火和调质处理的钢材等）时，应选用钢球作压头；当材料的布氏硬度值在450~650时，则应选用硬质合金球作压头。其次是根据被测材料种类和试样厚度，按照表1—1所示的布氏硬度试验规范正确地选择压头直径D、试验力F和保持时间t。

布氏硬度习惯上只写出硬度值而不必注明单位，其标注方法是，符号HBS或HBW之前为硬度值，符号后面按以下顺序用数值表示试验条件：球体直径、试验力，试验力保持时间（10~15s不标注）例如：

120HBS10/1000/30，表示直径10mm钢球在9.80KN（1000kgf）的试验力作用下，保持30s测得的布氏硬度值为120。

500HBW5/750，表示用直径5mm的硬质合金球在7.35KN（750kgf）试验力作用下，保持10~15s测得的布氏硬度值为500。

布氏硬度值的测量误差小，数据稳定，重复性强，常用于测量退火、正火、调质处理后的零件以及灰铸铁、结构钢、非铁金属及非金属材料等毛坯或半成品

（2） 操作前的准备工作

a. 选定压头擦拭干净，装入主轴衬套中； b. 选定载荷，加上相应的砝码；

c. 确定持续时间，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。

（3） 操作顺序

a. 接通电源，打开指示灯； b. 将试样放在工作台上，顺时针转动手轮，使压头压向试样表面直至手轮打滑为止； c. 按动加载按钮，即加载开始，当达到所要求的持续时间后，圆盘转动即自行停止，尔后自动卸载；

d. 逆时针转动手轮降下工作台，取下式样用读数显微镜测出压痕直径d值，查表即得出HB值。

2、洛氏硬度的测定

洛氏硬度的测定在HR-150A型洛氏硬度机上进行。 （1）实验原理

洛氏硬度试验是在初始试验力F0及总试验力F1的先后作用下，将压头（金刚石圆锥或钢球）压入被测材料或零件表面，经规定保持时间后，卸除主试验力，用测量的残余压痕深度增量计算硬度值的一种压痕硬度试验方法。实际测定时，试件的洛氏硬度值由硬度计的表盘上直接读出，材料越硬，则表盘上示值越大。

为了便于用洛氏硬度计测定从软到硬较大范围的材料硬度，根据被测试对象的不同，国家标准GB/T230-1991规定可采用不同类型压头、试验力及硬度公式，组合成为不同的洛氏硬度标尺。现将常用的三种洛氏硬度标尺的硬度符号、试验规范列于表1，以供参考。

表1 常用洛氏硬度试验规范（摘自GB/T 230-1991） 洛氏硬硬度 度标尺 符号 A HRA 测量 初试验力主试验力总试验力范围 F0/N F1/N F/N 20~88 98.07 490.3 588.4 压头类型 金刚石 圆锥 1.5875mm 钢球 金刚石 圆锥 应用举例 硬质合金 表面淬火层 渗碳层等 有色金属 退火钢 正火钢 调质钢 淬火钢等 B HRB 20~100 98.07 882.6 980.7 C HRC 20~70 98.07 1373 1471

以上三种常用洛氏硬度中，以HRC应用最多，一般经过淬火处理的零件和工具都用他测试硬度。

洛氏硬度测定简单，方便快捷，可直接从表盘上读出硬度数值，压痕小，多用来测较硬材料的硬度或成品零件硬度；测试范围大，能测较薄零件的硬度。但由于压痕小，测定结果波动较大，稳定性较差，故需测试三点，取其算术平均值，一般不适宜测试组织不均匀的材料。

（2） 操作顺序

a． 选择压头和载荷，并将压头装入实验机；

b．试样放在式样台上，顺时针转动手轮，使试样与压头缓慢接触，直到表盘小指针指至“0”为止，此时已预加载荷10kg，然后将表盘大指针调至零点；

c． 按动按钮，加主载荷。当表盘中大指针反向旋转若干格并停止时，保持3-4秒再顺时针旋转摇柄，直到自锁为止，即卸除主载荷。此时大指针退回若干格。指针所指的位置为洛氏硬度值，HRA、HRC读外圈黑刻度，HRB读内圈红刻度。

d． 逆时针旋转手轮，取出试样，测试完毕。 三、 实验设备器材

1、布氏硬度机 洛氏硬度机 2、读数放大镜

3、试样： 45钢 正火态 Φ30×10 T10钢 淬火态 Φ30×10 四、 实验注意事项

1、要求试样表面平整，两端平行，用砂纸去氧化皮和油污。 2、洛氏硬度机金刚石压头属贵重物件，质硬而脆，严禁碰击。 3、加载时细心操作，以免损坏机件。

实验二 金属材料冲击实验

一、实验目的

(1) 了解冲击韧性的含义； (2) 测定钢材的冲击韧性；

二、实验原理概述

材料在冲击载荷作用下，产生塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力，称为材料的冲击韧性。用实验方法测定材料的冲击韧性时，是把材料制成标准试样，置于能实施打击能量的冲击试验机上进行的，并用折断试样的冲击吸收功来衡量。

冲击试验机由摆锤、机身、支座、度盘、指针等几部分组成。实验时，将带有缺口的受弯试样安放于试验机的支座上，举起摆锤使它自由下落将试样冲断。若摆锤质量为G，冲击中摆锤的质心高度由H1变为H2，势能的变化为G(H1H2)，它等于冲断试样所消耗的功，即冲击中试样所吸收的功为AkG(H1H2)

图1 冲击韧性试验原理图

Ak可由指针指示的位置从度盘上读出。Ak值越大，表明材料的抗冲击性能越好。

Ak值是一个综合性的参数，不能直接用于设计，但可作为抗冲击构件选择材料的重要指

标。

冲击试验的主要用途：

(1) 评价材料对大能量一次冲击载荷下破坏的缺口敏感性；

(2) 检查和控制材料的冶金质量和热加工质量；材料的内部缺陷和晶粒大小对Ak值 有明显影响，因此可用冲击实验来检验材料质量，判定热加工和热处理工艺质量。

(3) 评定材料在高、低温条件下的韧脆转变特性。

冲击过程所消耗的能量，除大部分为试样断裂所吸收外，还有一小部分消耗于机座振动等方面，只因这部分能量相对较小，一般可以忽略。但它却随着实验初始能量的增大而加大，故对Ak值原本就较小的脆性材料，宜选用冲击能量较小的试验机。

三、实验仪器及材料

冲击实验机

实验用材料： 45钢淬火、45钢正火、HT150 冲击试样要求：

冲击韧性Ak的数值与试样的尺寸、缺口形状和支承方式有关。为便于比较，国家标准规定两种形式的试样：①U型缺口试样；②V型缺口试样。

图2 U型缺口试

冲击时，由于试样缺口根部形成高度应力集中，形成较多的能量，缺口的深度、曲图3 V型缺口试样

率半径及角度的大小都对试样的冲击吸收功有影响。为保证尺寸准确，缺口应采用铣削、磨削加工，要求缺口底部光滑，无平行于缺口轴线的刻痕。试样的制备亦应避免由于加工硬化或过热而影响其冲击性能。

四、实验内容与步骤

(1) 检查试样的形状、尺寸及缺口质量是否符合标准的要求； (2) 空打试验：举起摆锤，试验机上不放置试样，然后释放摆锤空打，调整指针回零； (3) 用专用对中块，使试样贴紧支座安放，缺口处于受拉面，并使缺口对称面位于两支座对称面上；

(4) 将摆锤举高挂稳后，摆锤下落冲断试样。待摆锤回落至最低位置时，进行制动，记录度盘的指示值。 实验注意事项：

(1) 在摆锤摆动范围内，不得有任何人员活动或放置障碍物，以确保安全。

(2) 不带保险销的机动冲击试验机或手动冲击试验机，在安装试样前，最好先把摆锤用木块搁置在支座上，试样安装完毕再举摆。

(3) 手动冲击试验机当摆锤举到需要高度时，可听到销钉锁住的声音，为避免冲断销钉应轻轻放摆，在销钉未锁住前切勿放手。摆锤下落尚未冲断试样前，不应将控制杆推向制动位置。

五、实验报告

(1) 冲击试样材料种类、试样尺寸及类型、试验机型号及打击能量； (2) 标注每次试验的冲击吸收功，画图示意冲断试样的断口宏观形貌。 (3) 分析影响冲击性能测定的主要因素。