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周萌杨信伟编沈阳建筑大学交通与机械工程学院二00六年七月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σb及塑性指标Ψ和δ）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：（1）试验时应力状态昀软（即昀大切应力远远大于昀大正应力），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：σb=K·HB式中：σb-----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=0.34～0.36合金调质钢K=0.33～0.35有色金属合金K=0.33～0.53（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（mm²）。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=πDh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½D-h=2)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φ保持不变。根据相似原理由图1-1（b）中可知d和φ的关系是：以此代入式（1-4）得：HB=式（1-6）说明，当φ值为常数时，为使HB值相同，P/D²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/D²=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/D²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）试样厚度（mm）P/D²钢球直径D（mm）载荷P（kaf）载荷保持时间（秒）黑色金属140～4501406～34～2266～3330`101052.51052.53000750187.5100025062.510``10铜合金及镁合金30～13066～33101052.5100025062.530铝合金及轴承合金8～3566～332.51052.525062.515.660（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：（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：（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，加上相应的砝码。（3）安装工作台。当试样高度120mm时应将立柱安装在升降螺杆上，然后装好工作台进行实验。（4）按表1-1确定持续时间T，然后将紧压螺钉拧松，把圆盘上的时间定位器（红色指示点）转到与持续时间相符的位置上。（5）接通电源，打开指示灯，证明通电正常。3.操作程序（1）将试样放在工作台上，顺时针转动手轮，使压头压向试样表面直至手轮对下面螺母产生相对运动为止。（2）按动加载按钮，启动电动机，即开始加载荷。此时因紧压螺钉已拧松，圆盘并不转动，当红色指示灯亮时，迅速拧紧紧压螺钉，使圆盘转动。达到所要求的持续时间后，转动即自动停止。（3）逆时针转动手轮降下工作台，取下试样用读数显微镜测出压痕直径d值，以此值查表即得HB值。四、洛氏硬度（HB）（一）洛氏硬度实验的基本原理洛氏硬度同布氏硬度一样也属压入硬度法，但它不是测定压痕面积，而是根据压痕深度来确定硬度值指标。其试验原理如图1-3所示。洛氏硬度实验所用压头有两种：一种是顶角为120度的金刚石圆锥，另一种是直径为1/16(1.588mm)或1/8(3.176mm)的淬火钢球。根据金属材料软硬程度不一，可选用不同的压头和载荷配合使用，昀常用的是HRA、HRB和HRC。这三种洛氏硬度的压头、负荷及使用范围列于表1-2。洛氏硬度测定时，需要先后两次施加载荷（预载荷和主载荷），预加载荷的目的是使压头与试样表面接触良好，以保证测量结果准确。图1-3中0-0位置为未加载荷时的压头位置，1-1位置为加上10kgf预加载荷后的位置，此时压入深度为h1，2-2位置为加上载荷后的位置，此时压入深度为h2，h2包括由加载所引起的弹性变形和塑性变形，卸除主载荷后，由于弹性变形恢复而稍提高到3-3位置，此时压头的实际压入深度为h3。洛氏硬度就是以主载荷所引起的残余压入深度（h=h3-h1）来表示。但这样直接以压入深度的大小表示硬度，将会出现硬的金属硬度值小，而软的金属硬度值大的现象，这与布氏硬度所标志的硬度值大小的概念相矛盾。为了与习惯上数值越大硬度值越高的概念相一致，采用一常数（K）减去（h3-h1）的差值表示硬度值。为简便起见又规定每0.002mm压入深度作为一个硬度单位（即刻度上一不格）。表1-2洛氏硬度的实验规范符号压头负荷（kgf）硬度值有效范围使用范围HRA120°金刚石圆锥6070适用测量硬度质合金、表面淬火层、渗碳层HRB1/16钢球10025～100（HB60～250）适用测量有色金属、退火及正火钢HRC120°金刚石圆锥15020～67（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：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）/0.002HRB=130-（h3-h1）/0.002（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，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：（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）。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3～4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：φ20*10毫米45钢和T12钢，正火及淬火状态。（三）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，以免影响测试。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.测完硬度值，卸掉载荷后，必须使压头完全离开试样后再取下试样。6.金刚钻压头是贵重物件，质硬，使用时要小心谨慎，严禁与试样或其它物件碰撞。7.应根据硬度试验机使用范围，按规定合理选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。（四）实验报告要求1.简述布氏和洛氏硬度试验原理。2.测定45钢正火试样的布氏硬度值HB（预期硬度HB140），并填下表：钢球直径D载荷P（kgf）持续时间（秒）P/D²45钢正火φ20×10mm凹凸直径dHB值3、测定45钢和T12钢正火及淬火试样的洛氏硬度值（HRC），并填下表：试样材料热处理压头载荷（kgf）硬度值（HRC）+实验二铁碳合金平衡组织观察一、实验目的1.研究和了解铁碳合金（碳钢及白口铸铁）在平衡状态下的显微组织。2.分析成分（含碳量