硬度测量实验报告.doc

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1、硬度测量实验报告硬度测量实验报告 一 、实验目的1、了解常用硬度测量原理及方法; 2、了解布氏与洛氏硬度的测量范围及其测量步骤与方法; 二、实验设备 洛氏硬度计、布洛维硬度计、轴承、试块 三、实验原理 1.硬度就是表示材料性能的指标之一,通常指的就是一种材料抵抗另一较硬的具有一定形状与尺寸的物体(金刚石压头或钢球)压入其表面的阻力。由于硬度试验简单易行,又无损于零件,因此在生产与科研中应用十分广泛。常用的硬度试验方法有:洛氏硬度计,主要用于金属材料热处理后的产品性能检验。布氏硬度计,应用于黑色、有色金属材料检验,也可测一般退火、正火后试件的硬度。2.洛氏硬度 洛氏硬度测量法就是最常用的硬度试验

2、方法之一。它就是用压头(金刚石圆锥或淬火钢球)在载荷(包括预载荷与主载荷)作用下,压入材料的塑性变形浓度来表示的。通常压入材料的深度越大,材料越软;压入的浓度越小,材料越硬。下图表示了洛氏硬度的测量原理。图: 未加载荷,压头未接触试件时的位置。2-1:压头在预载荷 P0(98、1N)作用下压入试件深度为 h0 时的位置。h0 包括预载所相起的弹形变形与塑性变形。2-2:加主载荷 P1 后,压头在总载荷 P= P0+ P1 的作用下压入试件的位置。2-3:去除主载荷 P1 后但仍保留预载荷 P0 时压头的位置,压头压入试样的深度为 h1。由于 P1所产生的弹性变形被消除,所以压头位置提高了 h,

3、此时压头受主载荷作用实际压入的浓度为h= h1- h0。实际代表主载 P1 造成的塑性变形深度。h 值越大,说明试件越软,h 值越小,说明试件越硬。为了适应人们习惯上数值越大硬度越高的概念,人为规定,用一常数 K 减去压痕深度 h 的数值来表示硬度的高低。并规定 0、002mm 为一个洛氏硬度单位,用符号 HR 表示,则洛氏硬度值为: 002 .0-Hh kR = 3、布氏硬度 布氏硬度的测定原理就是用一定大小的试验力 F(N)把直径为 D(mm)的淬火钢球或硬质合金球压入被测金属的表面,保持规定时间后卸除试验力,用读数显微镜测出压痕平均直径 d(mm),然后按公式求出布氏硬度 HB 值,或者

4、根据 d 从已备好的布氏硬度表中查出 HB 值。测量范围为 8650HBW由于金属材料有硬有软,被测工件有厚有薄,有大有小,如果只采用一种标准的试验力 F 与压头直径 D,就会出现对某些工件与材料的不适应的现象。因此,在生产中进行布氏硬度试验时,要求能使用不同大小的试验力与压头直径,对于同一种材料采用不同的 F 与 D 进行试验时,能否得到同一的布氏硬度值,关键在于压痕几何形状的相似,即可建立F与D的某种选配关系,以保证布氏硬度的不变性。特点:一般来说,布氏硬度值越小,材料越软,其压痕直径越大;反之,布氏硬度值越 大,材料越硬,其压痕直径越小。布氏硬度测量的优点就是具有较高的测量精度,压痕面积

5、大,能在较大范围内反映材料的平均硬度,测得的硬度值也较准确,数据重复性强。四、实验内容 1.测量滚动轴承表面洛氏硬度值 使用洛氏硬度计对轴承外圈进行硬度测定,记录相关测量数据:加载力(kgf)=1471 N硬度值测定 平均值 测量次数 第一次 第二次 第三次 HRC 61、9 61、2 62、6 61、9 2.测量试块表面布氏硬度值 在布洛维硬度计上,使档位调至布氏硬度测定档,试块进行表面硬度测定,记录相关测定数据: 加载力(kgf) =980 N凹痕直径(mm) 平均值(mm) 测定次数 第一次 第二次 第三次 _ 方向 254、9 251、2 250、1 252、1 Y 方向 256、3

6、244、6 250、5 250、5 ) - D - (D22 2d DPHBp=(D=2、5 mm ;d=读数差0、004) 五、思考题 1.测量硬度前为什么要进行打磨？ 答:测试样品与工作台的接触面不平。按照国家标准 GB/T 230、1-20_4,洛氏硬度值=100-h/0、002,式中 h 为洛氏硬度计压头压入样品的深度,也就就是说每 0、002 毫米或 2 微米代表 1HRC硬度单位,因此被测试样品与工作台接触面的平整度将对测试结果产生极大的影响。当试样底面不平时,载荷完全施加时只要试样因为不平整而导致轻微的偏转,就可能使压头多向下移动几个微米,测试结果就可能引起 1-5HRC 的误差

7、,甚至更大。因此,测试前被测样品的底面必须用机械加工(如磨床)或手工方法(如砂纸打磨)磨平,以减小测试误差。2.HRC、HB 与 HV 的试验原理有何异同? 答:1、布氏硬度(HB)以一定的载荷(一般 3000kg)把一定大小(直径一般为 10mm)的淬硬钢球压入材料表面,保持一段时间,去载后,负荷与其压痕面积之比值,即为布氏硬度值(HB),单位为公斤力/mm2 (N/mm2)。2、洛氏硬度(HR)当 HB450 或者试样过小时,不能采用布氏硬度试验而改用洛氏硬度计量。它就是用一个顶角 120的金刚石圆锥体或直径为 1、59、3、18mm 的钢球,在一定载荷下压入被测材料表面,由压痕的深度求出

8、材料的硬度。根据试验材料硬度的不同,分三种不同的标度来表示:HRA:就是采用 60kg 载荷与钻石锥压入器求得的硬度,用于硬度极高的材料(如硬质合金等)。HRB:就是采用 100kg 载荷与直径 1、58mm 淬硬的钢球,求得的硬度,用于硬度较低的材料(如退火钢、铸铁等)。HRC:就是采用 150kg 载荷与钻石锥压入器求得的硬度,用于硬度很高的材料(如淬火钢等)。3 维氏硬度(HV)以120kg以内的载荷与顶角为136的金刚石方形锥压入器压入材料表面,用材料压痕凹坑的表面积除以载荷值,即为维氏硬度 HV 值(kgf/mm2)。3.HRC、HB 与 HV 各有什么优缺点？各自适用范围就是什么？

9、举例说明 HRC、HB 与 HV适用于哪些材料及工艺？答:布氏硬度(HB)适用于退火正火钢,压痕大,适用于硬度不均匀材料,不适用于薄料。硬度值应在有效测量范围内(HRC 为 20-70)为有效;布氏硬度计多用于原材料与半成品的检测,由于压痕较大一般不用于成品检测。一般 HBS 只适用于 450N/mm 2 (MPa)以下的金属材料,对于较硬的钢或较薄材料不适用;维氏硬度适用于较大工件与较深表面层的硬度测定,小负荷维氏硬度试验负荷 1、961和我想要的简直一模一样啊！单晶铝纳米级硬度测试实验目的及意义 硬度作为材料多种力学特性的“显微探针”,与材料的强度、耐磨性、弹塑性、韧性等物理量之间有着密不

10、可分的联系, 因此在纳米尺度下对材料的硬度特性进行测量与分析p ,有着重要而现实的意义。本实验目的: 1.学习纳米压痕法,掌握其原理和计算方法；2.研究单晶铝纳米硬度,对纳米硬度的压痕尺寸效应现象进行分析p 。实验原理 目前,纳米级硬度的测量一般采用纳米压痕法。该方法通过高分辨力的致动器和传感器,可以精确、连续地纪录加载与卸载期间载荷与位移的数据,非常适合于材料表层微/纳米级力学特性的测量。使用纳米硬度计对单晶铝进行了纳米压痕实验，并计算硬度值，重点观察和分析p 了纳米级条件下单晶铝的硬度性质。纳米压痕法：图1为纳米压痕实验加、卸载过程中压痕剖面的变化示意图, 图2为典型的载荷一位移曲线。由图

11、可以看出，在加载过程中试样表面首先发生的是弹性变形，随着载荷进一步提高，塑性变形开始出现并逐步增大；卸载过程主要是弹性变形恢复的过程，塑性变形最终使得样品表面形成了压痕。图2中Pma_为最大载荷,Hma_为最大位移,hf了为卸载后的位移,S为卸载曲线初期的斜率。纳米硬度的计算仍采用传统的硬度公式H = P / A （1）式中:H 为硬度,GPa；P为最大载荷,即上文中的Pma_，uN；A为压痕面积投影,nm2。但与传统硬度计算方法不同的是,A 值不是由压痕照片得到,而是根据“接触深度”hc(单位为nm )计算得到的,这是由于纳米硬度实验中载荷和压深很小, 如果沿用传统硬度实验中的方法确A值,则

12、计算出的硬度值往往出现较大误差。具体关系式需通过实验来确定,根据压头形状的不同,一般采用多项式拟合的方法,针对三角锥形压头, 其拟合公式为：式中“接触深度”hc由下式计算得出1 式中： 是与压头形状有关常数，对于球形或三角锥形压头可以取=0.75。而S的值可以通过对载荷位移曲线的卸载部分进行拟合，再对拟合函数求导得出，即式中：Q为拟合函数。这样, 通过实验得到载荷位移曲线，测量和计算实验过程中的载荷p、压痕深度h和卸载曲线初期的斜率S，就可以得到样品的硬度值。实验仪器和步骤 实验材料采用单晶铝, 取(111)面作为测量表面,经去应力处理后进行纳米压痕实验。实验仪器为美国CETR公司生产的Nan

13、oindenter _P型纳米硬度计。Nanoindenter_P 型纳米硬度计的最大载荷为50mN , 载荷分辨力为50N ，位移分辨力小于0.01nm。压头选用Berkovich型金刚石压头, 形状为三角锥(锥面与轴线夹角为65.30) , 压头在加载、卸载过程中保持匀速, 并在加载、卸载过程之间保压一段时间。接触深度和纳米硬度由纳米硬度计自动计算。每个载荷对应的压痕实验在不同位置重复五次, 最终结果取有效点结果的均值。本实验没有采用习惯上的通过对材料表面某一点连续加载得到硬度曲线的方法, 而是采用一个加载点只对应一个最终硬度值和压痕深度的方法, 通过对一系列不同载荷的加载点进行比较来研究

14、纳米硬度测量中的现象和规律,这样做可以避免因加载点本身的因素对实验造成影响。2 实验结果 表1 为不同载荷下单晶铝纳米硬度的实验数据。 表1 单晶铝硬度测量值数据及计算值 GPa 压痕深度/nm 100 20_500 1000 1500 20_ 图3 绘出了单晶铝纳米级硬度与压痕深度的关系曲线。 1 1.009 0.629 0.529 0.473 0.440 0.4292 0.985 0.616 0.550 0.499 0.434 0.441实验次序3 0.937 0.611 0.514 0.503 0.444 0.4234 1.020 0.621 0.540 0.494 0.451 0.43

15、75 0.958 0.608 0.530 0.472 0.463 0.452五组数据平均值普通方法计算值0.982 0.617 0.533 0.480 0.446 0.428 1.275 0.836 0.718 0.612 0.568 0.532图3 单晶铝纳米级硬度测量值3 结果分析p 本实验使用纳米硬度计对单晶铝进行了纳米压痕实验，并计算硬度值。结果表明，当压痕深度小于20_nm时,单晶铝纳米硬度存在尺寸效应现象。纳米硬度与传统方法测得的硬度值有着重要区别，纳米硬度的实质是指在压入过程中某一压痕表面积投影上单位面积所承受的瞬时力, 它是试样对接触载荷承受能力的度量。而传统的硬度定义是残余压痕表面积上单位面积所承受的平均力, 它反映试样抵抗残余变形的能力。由此可见两种硬度定义的侧重点是不一样的, 其原因在于不同尺度下人们对材料性质的关注点不同。单晶铝纳米硬度测量存在尺寸效应现象, 当纳米压痕深度大于20_nm时，测量得到的硬度值基本恒定，反之，得到的硬度值会表现出明显的尺寸效应现象，并且压痕越小，尺寸效应现象就越强烈。只有在相同压痕深度下测得的硬度值才具有可比性。微/纳米尺度下单晶铝的弹性模量基本恒定，其数值约71GPa。没有让我失望，很棒。第 7 页 共 7 页