碳钢热处理及金属材料硬度测定

【实验目的】

（1）了解材料硬度测定原理及方法；

（2）了解布氏硬度和洛氏硬度的测量范围及其测量步骤和方法；

（3）了解显微硬度的测量范围及方法；

（4）熟悉碳钢热处理的基本方法；

（5）了解不同热处理方法对碳钢组织与性能的影响。

【预习内容】

（1）硬度实验的物理意义和工程意义；

（2）布氏硬度和洛氏硬度的原理、适用范围；

（3）热处理工艺。

【实验内容】

硬度是指一种材料抵抗另一较硬的具有一定形状和尺寸的物体（金刚石压头或钢球压头）压入其表面的阻力。由于硬度测定简单易行，又无损于零件，因此在生产和科研中应用十分广泛。另外，硬度和抗拉强度之间有近似的正比关系，即

式中：HB表示布氏硬度；K为系数，对不同的材料和不同的热处理状态，K值均不同。例如，碳钢的K值为0.36，调质状态碳钢的K值为0.34，铸铝的K值为0.26。

常用的硬度测定方法如下。

洛氏硬度计：主要用于金属材料热处理后的产品性能检验。

布氏硬度计：应用于黑色金属、有色金属原材料检验，也可测一般退火、正火后试件的硬度。

维氏硬度计：应用于薄板材料及材料表层的硬度测定，以及较精确的硬度测定。

显微硬度计：主要应用于测定金属材料的显微组织及各组成相的硬度。

本实验重点介绍最常用的洛氏硬度测定法。

1.洛氏硬度测定

1）原理

洛氏硬度测定，是用特殊的压头（金刚石压头或钢球压头），在先后施加2个载荷（预载荷和总载荷）的作用下压入金属表面来进行的。总载荷P为预载荷P0和主载荷P1之和，即P=P0+P1。

洛氏硬度值是施加总载荷P并卸除主载荷P1后，在预载荷P0继续作用下，由主载荷P1引起的残余压入深度e来计算的，如图5.4.1所示。

图5.4.1　洛氏硬度测定原理示意图

图5.4.1中，h0表示在预载荷P0作用下，压头压入被试材料的深度；h1表示施加总载荷P并卸除主载荷P1，但仍保留预载荷P0时，压头压入被试材料的深度。

深度差e=h1-h0，该值用来表示被测材料硬度的高低。

在实际应用中，为了使硬的材料得出的硬度值比软的材料得出的硬度值高，以符合一般的习惯，将被测材料的硬度值用公式加以适当变换。

式中：K为一常数，其值在采用金刚石压头时为0.2，采用钢球压头时为0.26；C为另一常数，代表指示器读数盘每一刻度相当于压头压入被测材料的深度，其值为0.002mm。

HR为标注洛氏硬度的符号。当采用金刚石压头及150 kg的总载荷进行测定时，应标注HRC；当采用钢球压头及100 kg总载荷进行测定时，则应标注HRB。

HR值为一无名数，测量时可直接由硬度计表盘读出。表盘上有红色线和黑色线刻度，红线刻度的30和黑线刻度的0相重合，如图5.4.2所示。

图5.4.2　洛氏硬度计的刻度盘

为了扩大洛氏硬度的测量范围，可采不同的压头和总载荷配成不同的洛氏硬度标度，每一种标度用同一个字母在洛氏硬度符号HR后加以注明，常用的有HRA，HRB，HRC这3种。部分洛氏硬度值的标度符号、测定条件与应用举例如表5.4.1所示。

表5.4.1　部分洛氏硬度值的标度符号、测定条件与应用举例

2）洛氏硬度计的构造及操作

洛氏硬度计类型较多，外形构造也各不相同，但构造原理及主要部件均相同。图5.4.3为洛氏硬度计结构示意图。

图5.4.3　洛氏硬度计结构示意图

1—测量杠杆；2—指示百分表；3—主轴垫；4—主轴；5—压头；6—工作台；7—丝杠保护套；8—升降丝杠；9—手轮；10—加载荷手柄；11—弹簧垫圈；12—锁紧螺母；13—丝杠导座；14—上盖；15—负荷杠杆；16—支撑杆；17—吊杆；18—支架；19—弹簧；20—后盖；21—砝码；22—曲杆；23—机体；24—缓冲器调节阀；25—缓冲器。

洛氏硬度计操作方法如下。

（1）按表5.4.1选择压头及载荷。

（2）根据试件大小和形状选用载物台。

（3）将试件上下两面磨平，然后置于载物台上。

（4）加预载。按顺时针方向转动升降机构的手轮，使试件与压头接触，直到指示百分表上小针移动至小红点为止。

（5）调整百分表表盘，使表盘上的长针对准硬度值的起点。例如，实验HRC、HRA硬度时，使长针与表盘上黑字C处对准；实验HRB时，使长针与表盘上红字B处对准。(www.xing528.com)

（6）加主载荷。平稳地扳动加载手柄，手柄自动升高至停止位置（时间为5～7 s），并停留10s。

（7）卸主载荷。扳回加载手柄至原来位置。

（8）读硬度值。表上长针指示的数字为硬度的读数，HRC、HRA读黑线数字，HRB读红线数字。

（9）降下载物台。当试件完全离开压头后，才可取下试件。

（10）用同样的方法在试件的不同位置测3个数据，取其算术平均值为试件的硬度。

各种洛氏硬度值之间，以及洛氏硬度与布氏硬度之间都有一定的换算关系。对钢铁材料而言，大致的关系式为

2.布氏硬度测定

1）测定原理

用载荷P把直径为D的淬火钢球压入试件表面，并保持一定时间，而后卸除载荷，测量钢球在试件表面上所压出的压痕直径d，从而计算出压痕球面积F，然后再计算出单位面积承载的质量（P/F），用此数值表示试件的硬度值，即为布氏硬度，用符号HBW表示。布氏硬度测定原理如图5.4.4所示。

设压痕深度为h，则压痕的球面积为

式中：P——施加的载荷，kg；

　　　D——压头（钢球）直径，mm；

　　　d——压痕直径，mm；

　　　F——压痕面积，mm2。

图5.4.4　布氏硬度计实验原理示意图

由于金属材料的硬度、工件的尺寸各不相同，因此为适应不同的情况，布氏硬度的钢球有φ2.5、φ5.0、φ10.0mm共3种，载荷有15.6、62.5、187.5、250.0、750.0、1 000.0、3 000.0 kg共6种。当采用不同大小的载荷和不同直径的钢球进行布氏硬度实验时，只要能满足P/D2为常数，则同一种材料得到的布氏硬度值是相同的。而不同材料所列得的布氏硬度值也可以进行比较。国家标准规定P/D2的比值有30、20、2.5共3种。根据金属材料种类、试件硬度范围和厚度的不同，可按照表5.4.2选择钢球直径D、载荷P及载荷保持时间。在试件厚度和载面大小允许的情况下，尽可能选用直径大的钢球和大的载荷，这样更易反映材料性能的真实性。另外，由于压痕大，测量的误差也小，因此测定钢的硬度时，尽可能用φ10mm的钢球和3 000 kg的载荷。测定后的压痕直径应在0.25D～0.6D的范围内，否则实验结果无效。这是因为若d值太小，则测定的灵敏度和准确性将随之降低；若d值太大，则压痕几何形状不能保持相似的关系，影响测定结果的准确性。

根据测量的压痕直径，查表5.4.2即可得试件硬度值。

布氏硬度值的表示方法：若用10.0mm直径的钢球，在3 000.0 kg载荷下保持10 s。测得布氏硬度值为400时，可表示为400 HBW。

在其他测定条件下，符号HBW应以相应的数字注明钢球直径、载荷大小及载荷保持的时间。例如，100 HBW5/250/30即表示：用5.0mm直径的钢球，在250.0 kg载荷下保持30 s时，所得到的布氏硬度为100。

2）布氏硬度测定的优缺点

由于布氏硬度测定压痕面积较大，其硬度值代表性较全面，因此特别适用于测定灰口铸铁、轴承合金和具有粗大晶粒的金属材料。实验数据较稳定，重复性也强。布氏硬度值和强度极限（σb）的关系，其换算式为经验公式；知道硬度后可以粗略地估计其他某些机械性能，但铸铁不能用此经验公式。布氏硬度用的压头是淬火钢球，由于钢球本身存在变形和硬度问题，因此不能测试太硬的材料（大于450HBW的材料）。布氏硬度压痕较大，产品检验时有困难。实验过程比洛氏硬度复杂，不能在硬度计上直接读数，还需用带刻度的低倍放大镜测出压痕直径，然后通过查表或计算才能得到布氏硬度值。布氏硬度实验常用于测定铸铁、有色金属、低合金结构钢等的原材料以及结构钢调质后的硬度。

表5.4.2　布氏硬度实验规范

3.热处理实验

1）实验设备和工具

（1）加热炉；

（2）硬度机；

（3）热处理试件。

2）实验原理

铁碳合金热处理过程中，加热、保温、冷却的方式及时间对材料组织有着巨大的影响，不同的处理方式可以得到不同组织，其力学性能尤其是硬度也就不同。故可以尝试通过不同的加热温度、冷却方式、回火温度得到不同的组织，并测试其硬度加以验证。

【实验步骤】

（1）了解电炉、硬度机的使用方法及安全注意事项；

（2）取一组45钢或T10试件（共7块，其中一块退火试件已提前备好）；

（3）将试件放入箱式或坩埚电炉中加热至一定温度（45钢为860℃，T10为780℃），保温时间为10min；

（4）2人一组，分别对试件进行水冷（4块）、油冷（1块）、空冷（1块）操作；

（5）将水冷试件取出3块分别放入200、400、600℃的炉火中回火，保温时间为30min；

（6）热处理后的试件依次用砂轮机、预磨机磨去两端氧化皮，然后测量硬度：炉冷、空冷试件测布氏硬度（各测2个点）；其他试件测洛氏硬度（各测3～4个点）并记录。

【分析与思考】

（1）测量硬度前为什么要进行打磨？

（2）HRC、HBW和HV（维氏硬度）的实验原理有何异同？

（3）HRC、HBW和HV各有什么优缺点？各自适用范围是什么？举例说明HRC、HBW和HV适用于哪些材料及工艺。

（4）试分析硬度实验中产生误差的原因。

（5）为什么ak（冲击韧度）值表现出很大的分散性？影响ak值的因素有哪些？

（6）韧、脆性材料断口有何区别？韧、脆性材料哪个ak值高？

（7）淬火加热温度有什么要求？

（8）为什么水冷后要进行回火处理？