机械工程技术基础实验指导书.pdf
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1、 机械工程技术基础实验指导书机械工程技术基础实验指导书 祝金兰祝金兰 周萌周萌 杨信伟杨信伟 编编 沈阳建筑大学交通与机械工程学院沈阳建筑大学交通与机械工程学院 二二 00 六年七月六年七月 机械电子工程实验教学中心机械电子工程实验教学中心实验一 钢的硬度试验 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。由于在金属表面以下不同深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
2、属的弹性,微量塑变抗力,塑变强化能力以及大量形变抗力。硬度值越高,表明金属抵塑性变形能力越大,材料产生塑性变形能力就越困难。另外,硬度与其它机械性能(如强度指标b 及塑性指标和)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意义。硬度的实验方法很多,在机械工业中广泛采用压入法来测定硬度,压入法又可分为布氏硬度,洛氏硬度,维氏硬度等。压入法硬度实验的主要特点是:压入法硬度实验的主要特点是:(1)试验时应力状态最软(即最大切应力远远大于最大正应力),因而无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:b=K
3、HB 式中: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=0.340.36 合金调质钢 K=0.330.35 有色金属合金 K=0.330.53(3)硬度值对材料的耐磨性,疲劳强度等性能也有定性的参考价值,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)硬度测定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(HB)(一)布氏硬度实验的基本原理(一)布氏硬度实验的基本原理 布氏硬度实验是施加一定大小的载荷 P,将直径为 D 的钢球压入被测
4、金属表面(如图 1-1 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。其计算公式如下:HB=P/F 凹 式中:HB-布氏硬度值;P-载荷(kgf);(1kgf=9.8N)F 凹-压痕面积(mm)。根据压痕面积和球面之比等于压痕深度 h 和钢球直径之比的几何关系,可知压痕部分的球面积为:F 凹=Dh 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(1-2)式中 h 改换成 d 来表示,这可根据图 1-1(b)中 Oab 的关系求出 D-h=2
5、)2/(2)2/(dD h=1/2(D-22dD)将式(1-2)和(1-3)代入式(1-1)即得:HB=P/Dh 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 3000kg)和铅球直径(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
6、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,其必要条件就是使压入角保持不变。根据相似原理由图 1-1(b)中可知 d 和 的关系是:以此代入式(1-4)得:HB=式(1-6)说明,当值为常数时,为使 HB 值相同,P/D也应保持为一定值。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 P/D=常数,所得的 HB 值是一样的。对不同材料来说,所得的HB 值也是可以比较的。按照 GB231-63 规定,P/D比值有 30、10 和 2.5 三种,具体实验数据和适用范围可参考表 1-1.表 1-1 布氏硬度试验规范 材 料 硬度范围(HB
7、)试 样 厚度 (mm)P/D 钢 球 直径 D(mm)载 荷P(kaf)载 荷 保持 时 间(秒)表 1-1 布氏硬度试验规范 材 料 硬度范围(HB)试 样 厚度 (mm)P/D 钢 球 直径 D(mm)载 荷P(kaf)载 荷 保持 时 间(秒)黑色金属 140 450140 63 42 6 63 3 30 10 10 5 2.5 10 5 2.5 3000 750 187.5 1000 250 62.5 10 10 黑色金属 140 450140 63 42 6 63 6 63 6 63 6 63 6 63 3 2.5 10 5 2.5 250 62.5 15.6 60(二)布氏硬度测
8、定的技术要求(二)布氏硬度测定的技术要求 1 试样表面必须平整光洁,以使压痕边缘清晰,保证精确测量压痕直径 d。2 压痕距离试样边缘应大于 D(钢球直径),两压痕之间距离应不小于 D。3.用读数显微镜测量压痕直径 d 时,应从相互垂直的两个方向上进行,取其平均值。4.为了表明试验条件,可在 HB 值后标注 D/P/T,如 HB10/3000/10,即表示此硬度值是在 D=10mm,P=3000kgf,T=10 秒的条件下得到的。(三)布氏硬度试验机的结构和操作 1.HB-3000 型布氏硬度实验机的外形结构如图 1-2 所示。其主要部件及作用如下:(三)布氏硬度试验机的结构和操作 1.HB-3
9、000 型布氏硬度实验机的外形结构如图 1-2 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。2.操作前的准备工作:2.操作前的准备工作:(1)把根据表 1-1 选定的压头擦拭干净,装入主轴衬套中。(2)按表 1-1 选定载荷,加上相应的砝
10、码。(3)安装工作台。当试样高度70 适用测量硬度质合金、表 面 淬 火层、渗碳层 HRA 120金刚石圆锥 60 70 适用测量硬度质合金、表 面 淬 火层、渗碳层 HRB 1/16 钢球 100 25100(HB60250)适用测量有色金属、退火及正火钢 HRB 1/16 钢球 100 25100(HB60250)适用测量有色金属、退火及正火钢 HRC 120 金刚石圆锥 150 2067(HB230 700)适用测量调质钢、淬火钢 HRC 120 金刚石圆锥 150 2067(HB230 700)适用测量调质钢、淬火钢 洛氏硬度值的计算公式如下:HR=K-(h3-h1)/0.002 式中
11、: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(式 HRA)=100-(h3-h1)/0.002 HRB=130-(h3-h1)/0.002(二)测定洛氏硬度的技术要求(二)测定洛氏硬度的技术要求 1根据被测金属材料的硬度高低,按表 1-2 选定压头和载荷。2试样表面应平整光洁,不得有氧化皮或油污以及明显的加工痕迹。3.试样厚度应不小于压入深度的 10 倍。4.两相邻压痕及压痕试样边缘的距离均不应小于 3mm.5.加载时力作用线,
12、必须垂直于试样表面。(三)洛氏硬度实验机的结构和操作 1.H-100 型杠杆式洛氏硬度试验机的结构如图 1-4 所示,其主要部分及作用如下:(三)洛氏硬度实验机的结构和操作 1.H-100 型杠杆式洛氏硬度试验机的结构如图 1-4 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 1-5所示)。
13、2.操作规程如下:2.操作规程如下:(1)根据试样预期硬度按表 1-2 确定压头和载荷,并装入试验机。(2)将符合要求的试样放置在试样台上,顺时针转动手轮,然后将表盘大指针调整至零点(HRA、HRC 零点为 O,HRB 零点为 30)。此时压头位置即为图 1-3 中的 1-1 位置。(3)按动按钮,平稳地加上主载荷。当表盘中大指针反向旋转若干格并停止时,持续 34 秒(此时压头位置如图 1-3 中的 2-2 位置),再顺时针旋转摇柄,直至自锁为止,即卸除主载荷。此时大指针退回若干格,这说明弹性变形得到恢复,指针所指位置反映了压痕的实际深度(此时压头位置相当于图1-3中的3-3位置)。由表盘上可
14、直接读出洛氏硬度值,HRA、HRC 读外圈黑刻度,HRB 读内圈红刻度。(4)逆时针旋转手轮,取出试样,测试完毕。五、实验方法指导(一)实验内容及步骤(一)实验内容及步骤 1.分成两大组,分别进行洛氏和布氏硬度实验,并相互轮换。2.在进行实验操作前必须事先阅读并弄清布氏和洛氏硬度实验机的结构及注意事项。3.按照规定的操作顺序测定试样的硬度值(HB 和 HRC)。(二)实验设备及材料(二)实验设备及材料 1.HB-3000 型布氏硬度试验机;2.H-100 型洛氏硬度实验机;3.读数放大镜;4.试样:20*10 毫米 45 钢和 T12 钢,正火及淬火状态。(三)注意事项(三)注意事项 1.试样
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