材料硬度的测定
一、 实验目的
1、了解材料硬度测试的意义；
2、了解影响材料硬度的因素；
3、掌握静载压入法测定材料维氏硬度与洛氏硬度的原理和方法。
二、 实验原理
硬度是材料的一种重要力学性能，但在实际应用中，由于测量方法不同，测得的硬度所代表的材料性能也各异，所以硬度没有统一的意义，各种硬度单位也不同，彼此间没有固定的换算关系。
矿物、晶体和陶瓷材料的硬度取决于其组成和结构。离子半径越小，离子电价愈高，配位数越小，结合能就越大，抵抗外力摩擦、刻划和压入的能力也就愈强，所以硬度就较大。陶瓷材料的显微结构、裂纹、杂质等都对硬度有影响。升高温度，硬度将下降。
陶瓷及矿物材料常用刻划硬度表示，也叫划痕硬度、莫氏硬度，它只表示硬度由小到大的顺序或反映材料抵抗破坏的能力，不表示软硬的程度，后面的矿物可划破前面的矿物表面。目前莫氏硬度可分为15级。
另外两类测定硬度的方法是：回跳硬度和静载压入硬度。回跳硬度反映弹性变形功的大小，但应用最广泛的是静载压入硬度。
静载压入的硬度试验法种类很多，常用布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度及努普硬度法。这些方法的原理都是在静压下将一硬的物体压入被测物体表面，使材料产生局部的塑性变形并产生压痕，根据压痕的大小或深度来确定硬度值；压痕大则材料较软，压痕小则材料较硬。
布氏硬度法主要用来测定金属材料中较软及中等硬度的材料，很少用于陶瓷；维氏硬度法及努普硬度法都适用于较硬的材料，也用于测量陶瓷的硬度；洛氏硬度法测量的范围较广，采用不同的压头和负荷可以得到15种标准洛氏硬度。此外，还有15种表面洛氏硬度。其中，HRA，HRC能用来测量陶瓷的硬度。一般无机材料也常用显微硬度法测量，其原理和维氏硬度法一样，但其负荷载只有1～1000 g，其d值只有几个微米，故较适用于测量脆性材料。
三、 实验仪器与原料
1、实验仪器：切片机、研磨抛光机、HVS-50型维氏硬度计、HRS-150数显洛氏硬度计。2、实验材料：实验室标准块样品、购买的建筑陶瓷样品。
四、 实验步骤
（一）维氏硬度测定
1、仪器使用预备工作
①“零位”检验：检验“零位”的实质是使在Ogf状态时的金刚石角锥体压头顶端正好处在显微镜40倍物镜的物平面上。用“零位”校正显微镜观察压头像，若偏高或偏低可通过调节螺钉调节。
②仪器调平：调节三只安平螺丝，使圆水泡居中，这时工作台处于水平位置，也表示加荷主轴处于沿垂位置，这是显微硬度计进行正常工作所必须的。
③照明调节：照明调节的目的是要使显微镜视场中看到的试样工作面既明亮又均匀对称。为此可调节照明灯抱的位置及照明亮度旋钮。
2、试样安放：对于厚试样可直接放在工作台上进行测定，对薄试样则需要加垫辅助工作台。比较方整的试样或圆柱体可用平口钳夹紧，需保证被测试样的表面与钳口的上平面共面。薄片试样可将薄片夹紧器进行装夹，测定0.2--4mm圆柱体试样的端面的硬度时可用圆
柱体夹紧器。对于形状比较复杂的零件可用橡皮泥粘在压平台上，然后在压平机上制平，以保证试样表面与工作台的平行度。
3、硬度测定
(1)选择好欲加载荷后，按下硬度计电源开关，选择合适的保荷时间。
(2)安置试样：将试样选择适当的装夹工具安置在仪器工作台上，并将工作台移到左端。
(3）调焦：缓慢转动手轮，可看到视场逐渐变得明亮，先看到模糊的灯丝象，然后再看到试样的表面象，直调至最清晰为止。
(4)转动工作台上纵横向微分筒，在视场里找出试样需测试部位。
(5)推动中平台使工作台移至右端，这时试样从显微镜视场中平缓移到加荷机构的金刚石角锥体压头下面。
(6）加荷：按下加荷按钮，当指示绿灯亮，表示开始加荷，红灯亮时表示进入负荷保持时间，当自动卸荷完毕后绿灯熄灭，窗口显示又恢复到原先设定的时间，即加荷全过程完成。
(7)将工作台推回原来位置进行压痕对角线的测定。旋转测微目镜可用同样方法测得另一条对角线长度
(8)重复5～10的测量步骤，可对同一物体测量不超过9点硬度值。
（二）洛氏硬度测定
1、转动变荷手轮，确定试验力（HRA转到60(588N)处，HRB转到100(980N)处，HRC转到150(1471N)处）。
2、装压头，将插入压头柄缺口上，拧紧止紧螺钉（HRA和HRC用金刚石压头，HRB用直径1.5875mm硬质合金球形压头）。
3、将硬度块或工件放入工作台，转动表盘使长指针指准“C”处（测试HRB时，长指针指向“B”处）。转动旋轮使螺杆上升，试件缓慢无冲击地与压头接触，此时观察表盘并慢慢上升螺杆，使长指针转过三圈基本指向“C”处（注：长指针的指向误差不能超5个分度值，若超此范围，应换测点重做）。此时已施加了98.07N初试验力。转动表盘，使长指针对准“C”位。
4、加卸荷手柄。后推后推手柄加载试验力。手柄应在2-8秒内推至。总试验力保持时间为5秒（加载试验力后观察表盘，等到长指针静止不动时开始计时）。时间到后将加卸荷手柄平稳的向前拉（即：卸除主试验力）。
5、此时，表盘长指针指向的数据即为被测试件的硬度值（当测试HRB时，硬度示值从内圈数值中读取）。
6、反向旋转旋轮，试台下降，更换测试点，重复上述操作。
7、在每个试件上的测试点不少于5点。对大批量零件检验，测试点可适当减少。
8、试验结束后用防尘罩将机器盖好。
五、实验结果计算
1、维氏硬度：
式中：Hv—维氏硬度（kgf/mm2）；P— 负荷（kgf）；S— 压痕面积（mm2）；d— 压痕对角线长度（mm2）；α— 压头二相对棱面的夹角（136˚）。
2、平均值AVG： =，N为测量次数。
3、不均匀度DD：DD=，Hmax、Hmin测量列中的最大值与最小值。
4、标准偏差S：S=，Hi为第一个测量结果。
六、思考题
1、材料硬度测试有几种方法？它们的适用对象是什么？
2、维氏硬度与洛氏硬度测试方法的异同是什么？
3、影响材料硬度测试准确性的因素是什么？
七、注意事项
（一）维氏硬度测试
1、试样表面的规定。试样的表面应该是光滑平面，不应有氧化层及污物。试验面粗糙度必须保证压痕对角线能精确地测量。
2、试样厚度的规定。试样（或试验层）的厚度至少应为压痕对角线平均长度的1.5倍。试验后，试样支撑面不应出现可见变形痕迹。
3、两相邻压痕中心距离及任一压痕中心至试样边缘距离的规定。对黑色金属，两相邻压痕中心间距或任一压痕中心距试样边缘距离应不小于压痕对角线平均值的5倍。
4、测量压痕平均对角线长度的规定。卸除试验力后，测量压痕的对角线长度。两对角线长度之差不应超过短对角线长度的2%。
5、试验力保持时间的规定。试验时应均匀平稳地施加试验力，不得有冲击和震动。试验力的保持时间：黑色金属为10~15s，有色金属为30±2s，如另有要求时间可以延长，其偏差为±2s。
6、测定非平面度的修正规定。主试验样为球面式圆柱面时，则所测之值应加以修正。即需将所得之值乘修正系数。
7、试验时，每个试样至少测定三个点的维氏硬度值。
（二）洛氏硬度测试
1、工件的表面状况对测试结果影响很大, 被测试的表面应比较光滑。
2、 测试工件为曲面时, 产生检测误差，这种误差可以通过在试件上磨出一个小平面加以消除。
3、热处理引起的表面软皮在测试前必须清除干净。
4、回转体工件, 必须使用V型砧铁支承，且测试表面与水平面的夹角不超过5°。
5、壁厚很薄的管类零件在测试时，可能发生变形，这时应在管中装心轴，以避免变形。
6、不应在试件的边缘进行硬度测试, 应保证压头距边缘至少3mm 以上。
材料硬度的测定
一、 实验目的
1、了解材料硬度测试的意义；
2、了解影响材料硬度的因素；
3、掌握静载压入法测定材料维氏硬度与洛氏硬度的原理和方法。
二、 实验原理
硬度是材料的一种重要力学性能，但在实际应用中，由于测量方法不同，测得的硬度所代表的材料性能也各异，所以硬度没有统一的意义，各种硬度单位也不同，彼此间没有固定的换算关系。
矿物、晶体和陶瓷材料的硬度取决于其组成和结构。离子半径越小，离子电价愈高，配位数越小，结合能就越大，抵抗外力摩擦、刻划和压入的能力也就愈强，所以硬度就较大。陶瓷材料的显微结构、裂纹、杂质等都对硬度有影响。升高温度，硬度将下降。
陶瓷及矿物材料常用刻划硬度表示，也叫划痕硬度、莫氏硬度，它只表示硬度由小到大的顺序或反映材料抵抗破坏的能力，不表示软硬的程度，后面的矿物可划破前面的矿物表面。目前莫氏硬度可分为15级。
另外两类测定硬度的方法是：回跳硬度和静载压入硬度。回跳硬度反映弹性变形功的大小，但应用最广泛的是静载压入硬度。
静载压入的硬度试验法种类很多，常用布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度及努普硬度法。这些方法的原理都是在静压下将一硬的物体压入被测物体表面，使材料产生局部的塑性变形并产生压痕，根据压痕的大小或深度来确定硬度值；压痕大则材料较软，压痕小则材料较硬。
布氏硬度法主要用来测定金属材料中较软及中等硬度的材料，很少用于陶瓷；维氏硬度法及努普硬度法都适用于较硬的材料，也用于测量陶瓷的硬度；洛氏硬度法测量的范围较广，采用不同的压头和负荷可以得到15种标准洛氏硬度。此外，还有15种表面洛氏硬度。其中，HRA，HRC能用来测量陶瓷的硬度。一般无机材料也常用显微硬度法测量，其原理和维氏硬度法一样，但其负荷载只有1～1000 g，其d值只有几个微米，故较适用于测量脆性材料。
三、 实验仪器与原料
1、实验仪器：切片机、研磨抛光机、HVS-50型维氏硬度计、HRS-150数显洛氏硬度计。2、实验材料：实验室标准块样品、购买的建筑陶瓷样品。
四、 实验步骤
（一）维氏硬度测定
1、仪器使用预备工作
①“零位”检验：检验“零位”的实质是使在Ogf状态时的金刚石角锥体压头顶端正好处在显微镜40倍物镜的物平面上。用“零位”校正显微镜观察压头像，若偏高或偏低可通过调节螺钉调节。
②仪器调平：调节三只安平螺丝，使圆水泡居中，这时工作台处于水平位置，也表示加荷主轴处于沿垂位置，这是显微硬度计进行正常工作所必须的。
③照明调节：照明调节的目的是要使显微镜视场中看到的试样工作面既明亮又均匀对称。为此可调节照明灯抱的位置及照明亮度旋钮。
2、试样安放：对于厚试样可直接放在工作台上进行测定，对薄试样则需要加垫辅助工作台。比较方整的试样或圆柱体可用平口钳夹紧，需保证被测试样的表面与钳口的上平面共面。薄片试样可将薄片夹紧器进行装夹，测定0.2--4mm圆柱体试样的端面的硬度时可用圆
柱体夹紧器。对于形状比较复杂的零件可用橡皮泥粘在压平台上，然后在压平机上制平，以保证试样表面与工作台的平行度。
3、硬度测定
(1)选择好欲加载荷后，按下硬度计电源开关，选择合适的保荷时间。
(2)安置试样：将试样选择适当的装夹工具安置在仪器工作台上，并将工作台移到左端。
(3）调焦：缓慢转动手轮，可看到视场逐渐变得明亮，先看到模糊的灯丝象，然后再看到试样的表面象，直调至最清晰为止。
(4)转动工作台上纵横向微分筒，在视场里找出试样需测试部位。
(5)推动中平台使工作台移至右端，这时试样从显微镜视场中平缓移到加荷机构的金刚石角锥体压头下面。
(6）加荷：按下加荷按钮，当指示绿灯亮，表示开始加荷，红灯亮时表示进入负荷保持时间，当自动卸荷完毕后绿灯熄灭，窗口显示又恢复到原先设定的时间，即加荷全过程完成。
(7)将工作台推回原来位置进行压痕对角线的测定。旋转测微目镜可用同样方法测得另一条对角线长度
(8)重复5～10的测量步骤，可对同一物体测量不超过9点硬度值。
（二）洛氏硬度测定
1、转动变荷手轮，确定试验力（HRA转到60(588N)处，HRB转到100(980N)处，HRC转到150(1471N)处）。
2、装压头，将插入压头柄缺口上，拧紧止紧螺钉（HRA和HRC用金刚石压头，HRB用直径1.5875mm硬质合金球形压头）。
3、将硬度块或工件放入工作台，转动表盘使长指针指准“C”处（测试HRB时，长指针指向“B”处）。转动旋轮使螺杆上升，试件缓慢无冲击地与压头接触，此时观察表盘并慢慢上升螺杆，使长指针转过三圈基本指向“C”处（注：长指针的指向误差不能超5个分度值，若超此范围，应换测点重做）。此时已施加了98.07N初试验力。转动表盘，使长指针对准“C”位。
4、加卸荷手柄。后推后推手柄加载试验力。手柄应在2-8秒内推至。总试验力保持时间为5秒（加载试验力后观察表盘，等到长指针静止不动时开始计时）。时间到后将加卸荷手柄平稳的向前拉（即：卸除主试验力）。
5、此时，表盘长指针指向的数据即为被测试件的硬度值（当测试HRB时，硬度示值从内圈数值中读取）。
6、反向旋转旋轮，试台下降，更换测试点，重复上述操作。
7、在每个试件上的测试点不少于5点。对大批量零件检验，测试点可适当减少。
8、试验结束后用防尘罩将机器盖好。
五、实验结果计算
1、维氏硬度：
式中：Hv—维氏硬度（kgf/mm2）；P— 负荷（kgf）；S— 压痕面积（mm2）；d— 压痕对角线长度（mm2）；α— 压头二相对棱面的夹角（136˚）。
2、平均值AVG： =，N为测量次数。
3、不均匀度DD：DD=，Hmax、Hmin测量列中的最大值与最小值。
4、标准偏差S：S=，Hi为第一个测量结果。
六、思考题
1、材料硬度测试有几种方法？它们的适用对象是什么？
2、维氏硬度与洛氏硬度测试方法的异同是什么？
3、影响材料硬度测试准确性的因素是什么？
七、注意事项
（一）维氏硬度测试
1、试样表面的规定。试样的表面应该是光滑平面，不应有氧化层及污物。试验面粗糙度必须保证压痕对角线能精确地测量。
2、试样厚度的规定。试样（或试验层）的厚度至少应为压痕对角线平均长度的1.5倍。试验后，试样支撑面不应出现可见变形痕迹。
3、两相邻压痕中心距离及任一压痕中心至试样边缘距离的规定。对黑色金属，两相邻压痕中心间距或任一压痕中心距试样边缘距离应不小于压痕对角线平均值的5倍。
4、测量压痕平均对角线长度的规定。卸除试验力后，测量压痕的对角线长度。两对角线长度之差不应超过短对角线长度的2%。
5、试验力保持时间的规定。试验时应均匀平稳地施加试验力，不得有冲击和震动。试验力的保持时间：黑色金属为10~15s，有色金属为30±2s，如另有要求时间可以延长，其偏差为±2s。
6、测定非平面度的修正规定。主试验样为球面式圆柱面时，则所测之值应加以修正。即需将所得之值乘修正系数。
7、试验时，每个试样至少测定三个点的维氏硬度值。
（二）洛氏硬度测试
1、工件的表面状况对测试结果影响很大, 被测试的表面应比较光滑。
2、 测试工件为曲面时, 产生检测误差，这种误差可以通过在试件上磨出一个小平面加以消除。
3、热处理引起的表面软皮在测试前必须清除干净。
4、回转体工件, 必须使用V型砧铁支承，且测试表面与水平面的夹角不超过5°。
5、壁厚很薄的管类零件在测试时，可能发生变形，这时应在管中装心轴，以避免变形。
6、不应在试件的边缘进行硬度测试, 应保证压头距边缘至少3mm 以上。