实验四 金属的硬度实验
一、实验目的
1.了解不同种类硬度测定的基本原理及常用硬度试验法的应用范围。
2.掌握洛氏硬度机的使用方法。
二、实验原理
金属的硬度是决定材料力学性能的主要指标之一，金属的硬度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属的弹性、微量塑性变形抗力、塑性变形强化能力以及大量变形抗力。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。另外，硬度与其他力学性能（如强度、塑性）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检查产品质量、确定金属材料的合理加工工艺及使用寿命，都起着决定性的作用。
常用的硬度试验方法有：
布氏硬度试验——主要用于测量铸铁、非铁金属及经过退火、正火和调质处理的钢材。
洛氏硬度试验——主要用于测量成品零件。
维氏硬度试验——主要用于测定较薄材料和硬材料。
显微硬度试验——主要用于测定显微组织组分或相组分的硬度。
1.布氏硬度
布氏硬度，是1900年瑞典工程师布里波尔（T. A.Brinell）在研究热处理对轧钢组织的影响时提出的。
布氏硬度实验是在一定的载荷（P）作用下，将一定尺寸的标准钢球压入试件，如图4-1（a）所示。
图4-1 布氏硬度的试验原理
保持一定时间后去除载荷，测量由钢球压出的压痕直径（d），计算出压痕面积（S），再根据式（4-1）计算出单位面积上所受的压力，即为布氏硬度值，符号为HB，单位是N/mm2。
（4-1）
式中，P为所加载荷，N；D为钢球直径，mm；h为压痕深度，mm。由于测量压痕直径d要比测定压痕深度h容易，故可将式（4-1）中的h改换成d来表示，这可由图4-1（b）中的直角Δabo中ob=
-h， 由勾股定律得：
故：ob=
则 
（4-2）
将h代入公式（4-1）得：
（4-3）
根据公式（4-3），试验后只要量出压痕直径d，就可以得出布氏硬度值。在实际测量时，可根据HB、D、P、d的值所列成的表，若D、P已选定，则只需用读数测微尺（将实际压痕直径d放大10倍的测微尺）测量压痕直径d，就可直接查表求得HB值。
由于金属材料有硬有软，所测工件有厚有薄，若采用同一种负荷（如29400N）和钢球直径（如10mm）时，则对硬的金属适合，而对软的金属就不合适，会使整个钢球陷入金属中；若对厚的工件适合，而对薄的金属则可能压透，所以规定测量不同材料的布氏硬度值时，要有不同的负荷和钢球直径，为了保持统一的、可以相互进行比较的数值，必须使P和D之间保持某一比值关系，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。
由图4-1（b）可知：
（4-4）
将式（4-4）代入公式（4-3）则得：
（4-5）
大家知道，当用同一材料的钢球压入同一试件时，虽然钢球直径不同，但所测得HB硬度值应该相同。为达到这一目的，不仅应当保证压入角的不变
，而且试验还必须在与不同直径的钢球相对应的不同载荷下进行，也就是说必须满足P1/
=P2/
=…=K，这个条件叫做相似条件。只要满足P/D2=K这一条件，则对同一试件而言，其HB值必然相等，对不同试件其HB值的大小随压入角的大小而变，因此，就可以比较它们的硬度。
一般规定P/D2为30、25、15三种，其中大多数布氏硬度计均采用30，由它们所决定的载荷与钢球直径的实际规定值及使用范围，见表4-1。
表4-1 布氏硬度试验规范
在使用布氏硬度计测出HB值后应该明确注明实验条件，一般的表示方法为：HB.D/P/秒，其中，D——钢球直径，P——载荷，秒——保持载荷的时间，如：直径为1.0mm的钢球，压力为2940N，保载时间为10s，HB值为250，则表示为：
HB.1.0/300/10=2450N/mm2
2.洛氏硬度
洛氏硬度测量法简称洛氏法，它是用金刚石锥体或硬质钢球压头，根据试样的压痕深度来表示其硬度高低的试验方法，由美国人洛克韦尔（Rockwell）在1919年提出。
洛氏法所用金刚石圆锥体的锥角为120°，顶端球面半径为0.2mm，也可以用硬质钢球做压头，在预载荷P0与载荷P1的作用下，把压头压入试件，总载荷为；P总= P0+ P1。总载荷作用终了后，即卸除主载荷保留预载荷时的压入深度h1，它与在预载荷作用下的压入深度h0之差，就可以表示洛氏硬度了。其原理见图4-2。此差值越大，则说明压入深度越深，试件的洛氏硬度也越低；反之，此差值越小，说明压入深度越浅，试件的硬度也越高。为了照顾习惯上数值越大硬度越高的概念，故用一个常数k减去e来表示洛氏硬度值，并以符号HR表示，即
（4-6）
当使用金刚石圆锥体压头时，常数k定为100；当使用淬火钢球压头时，常数k定为130。
图4-2 洛氏硬度的试验原理
h0——加下初载荷P0后压头的位置；h2——加下初载荷P0+主载荷P1后压头的位置；h1——卸去主载荷P1后压头的位置
实际测定洛氏硬度时，由于在硬度计的压头上方装有百分表，可直接测出压痕深度，并按式（4-6）换算出相应的硬度值。因此，在试验过程中金属的洛氏硬度可以直接读出。
为了测定软硬不同的金属材料的硬度，在洛氏硬度计上可选配不同的压头与试验力，组合成几种不同的洛氏硬度标尺。我国常用的标尺有A、B、C三种，其硬度值的符号分别用HRA、HRB、HRC表示。洛氏硬度试验规范和适用范围见表4-2。
表4-2 洛氏硬度试验规范
由于洛氏硬度是以压入深度为单位，故规定试件被压入0.002mm，算作一个硬度单位，不难看出它的计算公式为：
对于A、C级
（4-7）
对于B级
（4-8）
由上式可见洛氏硬度是不同金属试件压入深度的相互比较，通常人们用深度来表明洛氏硬度的高低，如硬度为47HRC、硬度为59HRB等。
三、实验设备和材料
1.实验设备：洛氏硬度机。
2.实验材料：金属试样。
四、实验内容与步骤
洛氏硬度测量法简介。
下面以HRC为例，说明硬度的测量过程，参看图4-2，试验的主要步骤是：
（1）加预载荷98N，保证试件与压头接触良好，压头处于图4-2中1的位置，压入深度为h0，硬度计百分表指针为零点。
（2）加主载荷1372N后，在总载荷1470N时总压力深度为h1，则在主载荷的作用下，其压力深度为h1-h0，故此时百分表指针的位置为：
，式中h1包括弹性变形和塑性变形。
（3）保持载荷一定时间，卸去主载荷，保留预载荷，由于弹性变形的恢复，表盘指针回转到的距离，此时指针顺时针方向的位置为：
，这就是试件HRC值。
至于HRA、HRB的实验方法与上述相同，仅仅所用的压头、载荷不同而已。洛氏硬度的操作迅速，适用于生产，各种软硬材料均可测试，但是用不同硬度级测得的数值无法比较，对粗大组织的金属材料也不适用。与布氏硬度比较，其条件误差较大。
五、实验报告
1.简述各硬度的定义及原理。
2.按表4-3认真完成数据记录。
3.根据记录及各项指标的定义计算得出各项指标。
表4-3 洛氏硬度的测试数据记录
六、问题与讨论
1.简述布氏硬度和洛氏硬度的试验原理、优缺点及应用。
2.进行硬度试验时，应注意哪些基本要求？
参考文献
李国安.材料力学性能实验指导.武汉：华中科技大学出版社，2002.