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、维氏硬度试验机的主要结构及操作方法。
3.通过数据处理和硬度标尺之间的换算，比较各材料之间的硬度大小，同时了解材料的种类、热处理状态对其硬度的影响。
二、实验概述
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应压痕附近局部体积内金属的弹性、微量塑变抗力、塑变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能力越大，材料产生塑性变形就越困难。另外，硬度与其它机械性能（如强度指标及塑性指标）之间有一定的内在联系，所以从某种意思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。
常用的硬度试验方法有：
布氏硬度试验：主要用于黑色、有色金属原材料检验，也可用于退火、正火钢铁零件的硬度测定。 洛氏硬度试验：主要用于金属材料热处理后的产品硬度检验。
维氏硬度试验：主要用于薄板或金属表层的硬度测定以及较精确的硬度测定。 显微硬度试验：主要用于测定金属材料的显微组织组分或相组分的硬度测定。 1.布氏硬度
布氏硬度试验是将一直径为D的淬火钢球或硬质合金球，在规定的试验力F作用下压入被测金属表面，保持一定时间t后卸除试验力，并测量出试样表面的压痕直径d，根据所选择的试验力F、球体直径D及所测得的压痕直径d的数值，求出被测金属的布氏硬度值HBS或HBW，布氏硬度的测试原理如图1-1所示。
图1-1 布氏硬度的测试原理图
在试验测量时，可由测出的压痕直径d直接查压痕直径与布氏硬度对照表而得到所测的布氏硬度值。在进行布氏硬度试验时，球体直径D、施加的试验力F和试验力的保持时间t都应根据被测金属的种类、硬度范围和试样的厚度范围进行选择。布氏硬度试验规范如表1-1所示。
表1-1 布氏硬度试验规范
金属 类型 布氏硬度值范围(HBS) 试样厚度 /mm 6～3 载荷F与钢球直径D的关系 钢球直径D/mm 载荷F/kgf 载荷保持时间t /s 10 F=30D2 5 2.5 10 F =10D2 5 2.5 10 F =30D2 5 2.5 10 F =10D2 5 2.5 10 F =2.5D2 5 2.5 3000 750 187.5 1000 250 62.5 3000 750 187.5 1000 250 62.5 250 62.5 15.6 60 30 30 10 10 140～450 黑色 金属 ＜140 4～2 ＜2 ﹥6 6～3 3＜ 6～3 ﹥130 4～2 ＜2 有色 金属 36～130 ﹥6 6～3 3 ﹥6 8～35 6～3 3 布氏硬度试验测出的硬度值比较准确，但它不宜测定成品件或薄片金属的硬度。同时，也不能测定硬度高于 450HBS或 650HBW的金属材料，否则压头（淬火钢球或硬质合金球）会产生塑性变形或破裂，而降低测量的精度。
2.洛氏硬度
洛氏硬度试验是以锥角为120°的金刚石圆锥体或者直径为1.588mm的淬火钢球为压头，在规定的初载荷和主载荷作用下压入被测金属的表面，然后卸除主载荷，在保留初载荷的情况下，测出由主载荷所引起的残余压入深度h值，再由h值确定洛氏硬度值HR的大小。洛氏硬度的测试原理如图1-2所示。
图1-2 洛氏硬度实验原理示意图
洛氏硬度值的计算公式为：
HR = K -
h
0.002式中h的单位为mm。K为常数，当采用金刚石圆锥压头时，K=100；当采用淬火钢球压头时，K=130。为了能用同一硬度计测定从极软到极硬材料的硬度，可以通过采用不同的压头和载荷，组成15种不同的洛氏硬度标
尺，其中最常用的有HRA、HRB、HRC三种。
常用洛氏硬度的试验规范如表1-2所示。
表1-2 三种常用洛氏硬度的试验规范
符号 压头类型 载荷/kgf 60 （600N） 100 （1000N） 150 （1500N） 硬度值 有效范围 70～85 使用范围 适用于测量硬质合金、表面淬火层或渗碳层 适用于测量有色金属、退火钢、正火钢等 适用于测量调质钢、淬火钢等 HRA 120°金刚石圆锥体 HRB 直径为1.588mm的淬火钢球 25～100 HRC 120°金刚石圆锥体 20～67 三、实验仪器设备及材料
1.布氏硬度试验机（压痕测量采用JC-10型读数显微镜或布氏硬度测量分析软件） 2.数显洛氏硬度计
3.维氏硬度计（该种设备由实验老师操作演示） 4.材料：① 45钢或者T12钢；
② 铝板或者铜板。
布氏硬度计：HB-3000型布氏硬度计的结构如图1-3所示。
1—小杠杆；2—弹簧；3—压轴；4—主轴衬套；5—压头；6—工作台7—工作台立柱； 8—螺杆； 9—升降手轮；10—螺母；11—套筒；12—电机；13—减速器；14—压紧螺钉；15—轴柄；16—按钮开关；17—换向开关；18—砝码；19—大杠杆；20—吊环；21—加荷指示灯；22—机体；23—电源开关
图1-3 HB-3000型布氏硬度计简图
试验时将试样放在工作台6上，按顺时针方向转动手轮9，使工作台上升至试样与压头5相接触，并在手轮打滑后，开动电动机12，经二级蜗轮蜗杆减速器13减速后，驱动轴柄15沿逆时针方向转动，此时压头即可以由砝码18通过大杠杆19、小杠杆1及压轴3的作用，以一定大小的载荷压入试样。停留一定时间后，电动机自动反转，曲柄连杆带动摇杆上升而卸除载荷。在关闭电动机后，反时针方向转动手轮，使工作台下降并取下试样。最后用读数显微镜测出压痕直径d值，根据d值的大小查表即可求得布氏硬度值。
JC-10型读数显微镜：读数显微镜的结构如图1-4所示。
图1-4 JC-10型读数显微镜的结构
读数显微镜由测微目镜组、物镜筒1、长镜筒2、镜筒底座3所组成。长镜筒靠镜筒锁紧螺丝20与镜筒套合座19连接。在测微目镜组中，在目镜的焦面上固定不动地装着刻有从0到6mm标尺的分划板4，一格的分划值为1mm。分划板的刻线面朝下，就在这个下平面上，在允许的间隙内，装着第二块玻璃分划板5，在其朝向目镜的上平面上刻有互为直角的二根长丝。分划板5坚实地与分划板座6连接，下分划板座6可以沿读数鼓轮的测微螺丝7的轴心移动。下分划板6的移动平滑性由精致的滑板8、滑板槽9、拉力弹簧10、测微螺丝7与固定的读数指示套11内的开口螺帽12的良好配合来保证。当以顺时针方向旋转读数鼓轮时，测微螺丝7使下分划板座6带动下分划板5向前移动；当以逆时针方向旋动读数鼓轮时，拉力弹簧10则向后拉回下分划板座6连同下分划板5。
读数鼓轮的测微螺丝的螺距为1mm，而不动的上分划板4的分划值也等于1 mm，所以读数鼓轮转动一周，下分划板5上的长线就相对上分划板移动一格。这样根据不动的上分划板便可以读出读数鼓轮的整转来。读数鼓轮分成100个格，而测微螺丝的螺距等于1mm，读数鼓轮转动一格便为0.01mm，全部读数等于上分划板上的读数加上读数鼓轮上的读数。
读数显微镜的使用方法：将仪器置于被测物体上，使被测物件的被测部分用自然光或用灯光照明，然后调节目镜螺旋，使视场中同时看清分划板和物体象。进行测量时，先旋动读数鼓轮，使刻有长丝的玻璃分划板移动，同时稍微转动读数显微镜，使竖直长丝与被测圆孔压痕的一边相切，得到一个读数，然后再旋动读数鼓轮，使竖直长丝与被测圆孔压痕的另一边相切，又得到一个读数，二者之差即为被测圆孔压痕的直径。
TH320全洛氏硬度计：
本硬度计功能设置方法详见其操作规程。
将试样放置在样品台中央，顺时针平稳转动手轮，使样品台上升，试样与压头接触。此时屏幕上出现压头运动过程示意图，最后一格表示加载初试验力终止位置。平缓转动手轮，直到压头达到终止位置，同时伴有蜂鸣报警，此时应立即停止转动手轮。
如果手轮转动有少量过量，不影响测量结果即精度，如果转动过量较大，试验机自动报警，并提示此时应重新开始。
初试验力加载完成后，测试开始自动进行。依次完成一下过程：主试验力加载，加载完成后开始设定保持时间倒计时，保持总试验力，时间到后立即开始卸载，最后显示测试结果。
逆时针转动手轮，样品台下降，全部试验力卸除，所有试验参数自动记忆，等待下次测试。 四、实验内容及操作步骤
1．了解硬度计的构造、原理、使用方法、操作规程和安全注意事项。 2．根据被测材料的种类、热处理状态等选择适宜的硬度标尺。 3．按照仪器设备的操作规程分别进行布氏硬度和洛氏硬度测定。 五、注意事项
1.试样两端要平行，表面应平整，若有油污或氧化皮，可用砂纸打磨，以免影响测量。 2.圆柱形试样应放在带有“V”型槽的工作台上操作，以防试样滚动。 3.加载时应细心操作，以免损坏压头。
4.加预载荷（10kgf）时若发现阻力太大，应停止加载，立即报告，检查原因。 5.测定硬度值，卸掉载荷后，必须使压头完全离开试样后再取下试样。
6.金刚石压头系贵重物件，质硬而脆，使用时要小心谨慎，严禁与试样或其他物件碰撞。
7.应根据硬度试验机试样范围，按规定合理使用不同的载荷和压头，超过使用范围将不能获得准确的硬度值。
六、实验报告要求 1.写出实验目的； 2.写出实验过程；
3.实验结果记录，将实验数据填入表格内，采用正确的标注方法表示实验结果；要求在实验报告纸上重新画数据记录表，以方便装订。
4.分析说明布氏硬度和洛氏硬度的优缺点及其选用的基本原则； 5.本次实验的体会。
附、实验记录
表1 布氏硬度测定数据记录表
实验结果 试验规范 压痕直径d/mm 材料名称 球 体 直 径 D/mm 试 验 力 F /kgf 试验力保持时间/s 硬度值/HBW 第一次 第二次 平均值 表2 洛氏硬度测定数据记录表
试验规范 硬度 标尺 压头类型 载荷 /kgf 第一次 测定结果 第二次 第三次 平均值 换算成布氏硬度值/HBS
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