實驗一硬度試驗
一、實驗目的：
1、了解硬度測定的基本原理及應用範圍。
2、了解布氏、落氏硬度計（機）的主要結構及操作方法。
二、實驗原理
硬度是衡量金屬材料軟硬的乙個指標。
硬度值的物理意義隨著實驗方法的不同，其含義也不同。例如壓入法硬度值是材料表面抵抗另一物體壓入時所應起的塑性變形能力；刻劃硬度表示金屬抵抗表面區域性破裂的能力；而回跳法硬度值是代表金屬彈性變形功的大小。因此，硬度值實際上不是乙個單純的物理量，它是表徵材料的彈性、塑性、變形強化率，強度和韌性等一系列不同物理量組合的一種綜合性指標。
一般可以認為，金屬材料的硬度是指金屬表面上不大體積內抵抗變形和破裂的能力。由於硬度實驗方法比較簡單一，不破壞材料內部且能敏感的反映材料的質量高低和熱處理相變過程的結果；其次，硬度與強度之間可根據大量實驗資料，找出粗略的換算式，而且，硬度與切削性、成型性及可焊性等工藝效能之間也存在著某些聯絡，因此可作為選擇加工工藝時的參考。所以在實際生產中，硬度試驗作為一種簡便實用的手段得到廣泛的應用。
硬度實驗方法可分為壓入法、刻劃法及**法，其中應用最為廣泛的是壓入法。壓入法中根據加荷速度不同，有分靜負荷壓入法和動負荷壓入法兩種。在生產中使用最廣的是靜負荷壓入法硬度試驗，即洛氏硬度、布氏硬度、維氏硬度等。
本實驗以介紹洛氏硬度、布氏硬度為主。
（一）、洛氏硬度（hr）
1、原理
洛氏硬度試驗是目前應用最廣的實驗方法。它以壓痕深度來確定材料的硬度值指標。洛氏硬度試驗原理可見圖1。
圖1 洛氏硬度原理
洛氏硬度試驗所用壓頭有兩種：一種是錐頂角為120o的金剛石圓錐，另一種是直徑為1/16''（1.588mm）或1/8''（3.
1176mm)的淬火鋼球。根據金屬材料軟硬程度不一，可選用hra、hrb和hrc等不同標尺。
洛氏硬度測定時，需要先後兩次施加載荷（預載荷和主載荷）。預加載荷的目的是使壓頭與試樣表面接觸良好，以保證測量結果準確。圖1中0-0位置為未載入前的壓頭位置。
1-1位置為加上10kgf預載荷後的位置，此時壓入深度為h1，2-2位置為加上主載荷後的位置，此時壓入深度為h2，h2包括有載入所引起的彈性變形和塑性變形。卸除主載荷後，由於彈性變形恢復而稍提高到3-3位，此時壓頭的實際壓入深度為h3。洛氏硬度就是以主載荷所引起的產於壓入深度（h=h3-h1)來表示。
但這樣直接以壓入深度的大小表示硬度，將會出現硬的金屬硬度值小，而軟的金屬值大的現象，這與習慣的認識方法相矛盾。為了與習慣上數值越大硬度越高的概念相一致，採用一常數（k）減去（h3-h1）的差值表示硬度值。為簡便起見又規定每0.
002mm壓入深度作為乙個硬度單位（即刻度盤上一小格）。
洛氏硬度值的計算公式如下：
式中：h1——預載入壓入試樣的深度（mm）
h3——卸除主載荷後壓入試樣的深度（mm）
k——常數，採用金剛石圓錐時k=0.2（用於hra、hrc)，採用鋼球時k=0.26（用於hrb)。
2、測定洛氏硬度的技術要求
a、根據被測金屬材料的硬度高低，選定壓頭和載荷。
b、試樣表面應平整光潔，不得有氧化皮或油汙以及明顯的加工痕跡。
c、試樣厚度應不小於壓入深度的10倍。
d、兩相鄰壓痕跡壓痕離試樣邊緣距離均不小於3mm。
（二）、布氏硬度（hb）
1、原理
試驗室施加一定大小的載荷p，將直徑為d的淬火鋼球或硬質合金球壓入被測金屬表面（如圖2所示）保持一定時間，然後卸除載荷，根據鋼球在金屬表面上所壓出的凹痕面積後求出平均應力值，以此作為硬度值的指標，並用符號hb表示。
其計算公式如下：
1-1)
式中：hb——布氏硬度
p——載荷（kgf）
f0——壓痕面積（mm2）
根據壓痕面積和球面之比等與壓痕深度（h）和球的直徑之比的集合關係，可求出壓痕部分的（球）面積為：
1-2)
圖2 布氏硬度原理
由於測量壓痕直徑d要比測定壓痕深度h容易，故將（1-2）式中h該換成d來表示，且：
(1-3)
將式(1-2)和(1-3)帶入式(1-1)即得：
(1-4)
式中只有d是變數，故只需測出壓痕直徑d，根據已知d和p值就可計算出hb值。在實際測量中也可測出的壓痕直徑d並直接查表得到hb值。
由於金屬材料有軟有硬，工件有薄有厚，有大有小，如果只採用一種標準的負荷p和鋼球直徑d,就會出現若對應的材料合適，而對軟的材料就會發生鋼球陷入金屬材料內的現象；若對厚的的材料合適，而對薄的材料就可能發生壓透的現象，因此在生產中進行布氏硬度試驗時，要求能使不同大小的負荷p和鋼球直徑d。問題在於對同一種材料當採用不同的p和d進行試驗時，能否保證得到同一布氏硬度值。
要保證同意材料的布氏硬度值相同，必須是形成的壓入角為常數。也就是要得到幾何形狀相似的壓痕，為達到此要求，應保持p/d2為常數。
當採用不同大小的負荷和不同直徑的鋼球進行布氏硬度試驗時。只有能滿足p/d2為常數，則對同一材料來說布氏硬度值是相同的，且面對不同材料所得到的布氏硬度值才可以進行比較。
國家標準規定布氏硬度試驗時，p/d2的比值為30，10，5三種。根據金屬材料種類：試驗硬度範圍和要求不同，按規定選擇鋼球直徑d負荷p及負荷保持時間。
試驗後壓痕直徑應在0.25d~0.6d的範圍內，否則實驗結果無效，應考慮使用其它負荷重新試驗。
因為若d太小，靈敏度及準確性將隨之降低，若d值太大，壓痕的幾何形狀不能保持相似關係，影響實驗結果的準確性。當選擇的p/d2比值不同時，布氏硬度值不能進行直接比較。
2、布氏硬度測定的技術要求
a、試樣表面必須平整光潔，以使壓痕邊緣清晰，保證精確測量壓痕直徑d。
b、壓痕距離試樣邊緣應大於d（鋼球直徑），兩壓痕之間的距離應不小於d。
c、用讀數顯微鏡測量壓痕直徑d時，應從相互垂直的兩個方向上進行，取二者的平均值。
三、實驗裝置與材料：
1、th550型洛氏硬度試驗機、th600型布氏硬度試驗機、讀數放大鏡。
2、退火低碳鋼或中碳鋼、淬火鋼或高碳鋼試樣。
四、實驗步驟
（一）洛氏硬度
1、根據試樣預期硬度確定壓頭和載荷，並裝入試驗機。
2、開啟試驗機電源。
3、將符合要求的試樣放置在試樣台上，順時針緩慢轉動手輪，使試樣與壓頭緩慢接觸，「初載荷」指示燈亮起。
4、繼續緩慢順時針轉動手輪，「初載荷」指示燈將顯示「9、8、7……」直至「0」，此時「初載荷」指示燈熄滅，將依次亮起「載入」、「保持」、「解除安裝」指示燈。
5、當「解除安裝」指示燈熄滅後，讀取硬度值。
6、逆時針轉動手輪，卸掉所有載荷。
7、繼續測試重複步驟「3～6」，兩個測試點間距離大於3mm。
（二）布氏硬度
1、根據試樣預期硬度確定壓頭和載荷，並裝入試驗機。
2、開啟試驗機電源。
3、將試樣放在工作台上，順時針轉動手輪，使壓頭向試樣表面直至手輪下面螺母產生相對運動（打滑）為止。
4、按「開始」按鈕，硬度計上指示燈將依次亮「載入」、「保持」、「解除安裝」。
5、指示燈熄滅後，逆時針轉動手輪降下工作台，取下試樣用讀數顯微鏡測出壓痕直徑d值，以此值查表即得出hb值或計算hb值。
6、繼續測試重複步驟「3～5」。
五、實驗記錄及資料處理：
1、記錄所測材料洛氏硬度值。
2、測定布氏硬度試驗後的壓痕直徑d ，通過公式計算硬度值或查表求硬度值。
六、實驗注意事項
1、測定洛氏硬度時，加初載時速度要慢，避免撞壞壓頭。
2、測定布氏硬度時，注意安全。
七、實驗思考題
比較布氏硬度與洛氏硬度的優缺點。
實驗二模具安裝實驗
（一）實驗目的
1．了解模具安裝過程。
2．了解間隙大小、凸凹模刃口狀態對沖裁件斷面質量的影響。
3．了解間隙大小對沖裁件尺寸精度的影響。
（二）實驗內容
⒈ 在壓力機上安裝與調整模具，是一件很重要的工作，它直接影響到沖件質量和安全生產。因此，安裝和調整衝模不但要熟悉壓力機和模具的結構效能，而且要嚴格執行安全操作制度。
模具安裝的一般注意事項有：檢查壓力機上的打料裝置，將其暫時調整到最高位置，以免在調整壓力機閉合高度時被壓彎；檢查模具的閉合高度與壓力機的閉合高度是否合理；檢查下模頂桿和上模打料杆是否符合壓力機的打料裝置的要求(大型壓力機則應檢查氣墊裝置)；模具安裝前應將上下模板和滑塊底面的油汙揩拭乾淨，並檢查有無遺物，防止影響正確安裝和發生意外事故。
實驗用裝置、工具和材料
裝置：曲柄沖床
2．工具：衝裁模一套千分尺放大鏡鋼皮尺固定模具的工具等
3．材料：鋼板t＝0.3(mm)
(四) 實驗步驟
（1）衝裁模的安裝
根據衝模的閉合高度調整壓力機滑塊的高度，使滑塊在下極點時其底平面與工作檯面之間的距離大於衝模的閉合高度。
（２）先將滑塊公升到上極點，衝模放在壓力機工作檯面規定位置，再將滑塊停在下極點，然後調節滑塊的高度，使其底平面與上模座上平面接觸。帶有模柄的衝模，應使模柄進入模柄孔，並通過滑塊上的壓塊和螺釘將模柄固定住。對於無模柄的大型衝模，一般用螺釘、壓板等將上模座緊固在壓力機滑塊上，並將下模座初步固定在壓力機臺面上(不擰緊螺釘)。
（３）將壓力機滑塊上調3-5mm，開動壓力機，空行程1-2次，將滑塊停於下極點，固定住下模座。
（４）進行試衝，並逐步調整滑塊到所需的高度。如上模有推桿，則應將壓力機上的制動螺釘調整到需要的高度。
(4) 實驗結果分析
⒈每人獨立(用直尺、圓規，按近似比例)繪製兩張衝模結構草圖。
⒉詳細列出衝模上全部零件的名稱、數量、用途及其所選用的材料；
⒊簡要說明復合衝裁模和級進模的工作過程。
實驗三衝擊試驗
一、實驗目的
1、了解衝擊韌性的含義。
2、測定鋼的衝擊韌性，了解斷口形貌與韌性的關係。
二、實驗原理
如圖1衝擊試驗機中，將質量為m的擺錘抬到一定高度h1，該擺錘具有勢能mgh1，釋放擺錘，使擺錘自由轉動落下，撞斷試樣，擺錘繼續上擺到高度h2，具有勢能mgh2，二者勢能差即為試樣在被撞斷過程中所吸收的能量，稱為衝擊吸收功，用ak表示：
ak=mgh1-mgh2
衝擊韌度為
式中：為試樣在斷口處的橫截面面積。
圖1 衝擊試驗原理圖
按照國家標準gb/t229—1994《金屬夏比缺口衝擊試驗方法》，金屬衝擊試驗所採用的標準衝擊試樣為並開有或深的形缺口的衝擊試樣（圖2）以及張角深的形缺口衝擊試樣（圖3）。
如不能製成標準試樣，則可採用寬度為或等小尺寸試樣，其它尺寸與相應缺口的標準試樣相同，缺口應開在試樣的窄面上。
衝擊試樣的底部應光滑，試樣的公差、表面粗糙度等加工技術要求參見國家標準gb/t229—1994。
ab）圖2 夏比形衝擊試樣
（a）深度為；（b）深度為
圖3 夏比形衝擊試樣
三、實驗裝置和材料
1、衝擊試驗機。
2、游標卡尺。
3、衝擊試樣。
四、實驗步驟
1、了解衝擊試驗機的操作規程和注意事項。
2、測量試樣的尺寸。
3、將試樣安裝好。注意在安裝試樣時，不得將擺錘抬起。
4、開啟電源，開啟控制屏，設定好引數，選擇試驗執行。
5、按下「取擺」按鈕。
6、按下「退銷」按鈕。
7、按下「衝擊」按鈕，記錄螢幕上顯示的資料。
8、按下「退銷」按鈕。
9、按下「放擺」按鈕。
10、若繼續試驗，重複步驟2～9。
五、實驗資料的記錄與計算
工程材料與機械製造基礎
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