指導書湖北文理學院機械與汽車工程學院
機械基礎教研室
實驗一硬度實驗
一、實驗目的
1、了解布氏硬度計、洛氏硬度計、黎克特制硬度計的主要構造及操作方法。
2、初步掌握布氏硬度值、洛氏硬度值、裡氏硬度值的測定方法。
3、初步建立碳鋼的含碳量與其硬度間的關係和熱處理能改變材料硬度的概念。
二、實驗概述
硬度試驗裝置簡單，操作迅速方便，不需要專門製備試樣，也不破壞被測試的工件。因此，在工業生產中，被廣泛應用於產品質量的檢驗。此外，硬度值與其他力學效能及某些工藝效能（如切削加工性、冷成形性等）都有一定的聯絡，故在產品設計圖樣的技術條件中，硬度是一項主要技術指標。
目前，在測定硬度的方法中，最常用的是壓入硬度法。其中以布氏硬度和洛氏硬度應用最廣。它們的試驗原理都是用一定幾何形狀的壓頭在一定載荷下壓入被測金屬材料的表面，根據壓頭被壓入的程度來測定其硬度值。
1、布氏硬度
布氏硬度試驗方法是將一直徑為d的淬火鋼球或硬質合金球在規定載荷f的作用下壓入被測試金屬表面，停留一定時間後卸除載荷，在被測試金屬表面上形成乙個直徑為d的壓痕。計算出壓痕單位面積所承受的平均壓力，以此作為被測試金屬的布氏硬度值。但實際試驗時都是用讀數顯微鏡測出壓痕直徑d，再根據d值，查對照表得出所測的硬度值。
當壓頭為淬火鋼球時，硬度符號為hbs，適用於布氏硬度值低於450的金屬材料；當壓頭為硬質合金球時，硬度符號為hbw，適用於布氏硬度值為450～650的金屬材料。
在進行布氏硬度試驗時，應根據被測試金屬材料的種類和試樣厚度，選用不同大小的球體直徑d、施加載荷f和載荷保持時間。
布氏硬度試驗法因壓痕面積較大，能反映出較大範圍內被測試金屬的平均硬度，故試驗結果較準確。但因壓痕較大，不宜測試成品或薄片金屬的硬度。
2、洛氏硬度
洛氏硬度試驗方法是以乙個錐頂角為120°的金剛石圓錐體或直徑為1.588mm的鋼球為壓頭，在先後兩次截荷（初載荷與主載荷）作用下，壓入被測試金屬表面，然後卸除主截荷，在保留初載荷情況下，測出由主截荷引起的塑性變形的壓力深度h，再由h值確定洛氏硬度值。h值愈大時，被測試金屬的洛氏硬度值愈低；反之，則愈高。
在實際試驗時，都是由硬度計的指示器表盤上直接讀出所測的硬度值。
洛氏硬度試驗時，可用不同壓頭和不同的主載荷組成不同的洛氏硬度標尺。最常用的是hra、hrb、hrc三種，其中hrc適用於測量硬度值高於230hbs的較硬金屬；hrb適用於測量硬度值低於230hbs的較軟金屬；hra適用於測量硬脆的金屬材料或淺層表面硬化的金屬。
洛氏硬度試驗操作迅速簡便，且壓痕較小，可以測定成品或較薄金屬的硬度，故目前生產上應用廣泛。
退火狀態碳鋼的硬度一般是隨著含碳量的增加而逐漸增加。
3、裡氏硬度
●工作原理
用規定質量的衝擊體在彈力作用下，以一定速度衝擊試樣表面，用衝頭在距試樣表面1mm處回彈速度與衝擊速度的比值計算硬度值。計算公式如下：
hl＝1000×vb/va
式中：hl——裡氏硬度值
vb——衝擊體回彈速度
va——衝擊體衝擊速度
●適用範圍
碳鋼、鑄鐵、合金鋼
●主要用途
已安裝的機械或永久性組裝部件。
模具型腔。
重型工件。
壓力容器、汽輪發電機組及其裝置的失效分析。
試驗空間很狹小的工件。
軸承及其它零件。
要求對測試結果有正規的原始記錄。
金屬材料倉庫的材料區分。
大型工件大範圍內多處測量部位的快速檢驗。
三、實驗裝置及注意事項
1、布氏硬度計
布氏硬度試驗主要裝置有布氏硬度計和讀數顯微鏡。常見的布氏硬度計有液壓式和機械式兩大類。用機械式布氏硬度計試驗時，先將試樣放在工作台上，按順時針方向轉動手輪，使工作台上公升至試樣與壓頭接觸，並在手輪打滑後，再開動電動機，經二級蝸輪蝸桿減速器減速後，驅動連桿與搖桿向下運動，此時壓頭在砝碼通過大槓桿、小槓桿及壓軸作用下，以一定大小的載荷壓入試樣。
停留一定時間後，電動機自動反轉，曲柄連桿帶動搖桿上公升而卸除載荷。在關閉電動機後，反時針方向轉動手輪，使工作台下降並取下試樣。最後用讀數顯微鏡測出壓痕直徑d，根據d的大小查表即可求得布氏硬度值。
2、洛氏硬度實驗注意事項
（1）清理試樣表面。被測表面應無油脂、氧化皮、裂紋、凹坑、顯著的加工痕跡以及其它外來汙物。
（2）根據試樣材料選擇壓頭及載荷。根據試樣形狀選擇合適的工作台。工作台表面、試樣的支承面和壓頭表面均應清潔。
（3）把試樣穩固地放在硬度計工作台上，按洛氏硬度計的操作順序進行試驗，試驗中心必須保證載荷平衡地垂直施加於試樣的測試表面，不得有衝擊或震動。然後由指示器上讀得硬度值並作好記錄。
（4）移動試樣，並在另一位置繼續進行試驗，兩相鄰壓痕中心距離或任一壓痕中心距試樣邊緣距離一般不得小於3mm，前後共測三點，計算後兩次試驗得出硬度值的平均值，並作好記錄。
3、黎克特制硬度計使用前的準備和檢查
（1）在製備試樣表面過程中，應盡量避免由於受熱、冷加工等對試樣表面硬度的影響。
（2）被測表面過於粗糙，則會引起測量誤差。因此，試樣的被測表面必須露出金屬光澤，並且平整、光滑、不得有油汙。
（3）曲面：試樣的試驗面最好是平面。當被測表面曲率半徑r小於30mm的試樣在測試時應使用小支承環或異型支承環。
（4）試樣應有足夠的厚度
四、實驗材料
五、實驗步驟
1、布氏硬度試驗
（1）清理試樣表面。被測表面應是無氧化皮及外來汙物的光潔平面，以保證能準確測量壓痕直徑。
（2）根據試樣材料及厚度，按布氏硬度試驗規範選擇鋼球壓頭的直徑、載荷大小及截荷保持時間。
（3）把試樣穩固地放在硬度計工作台上，按布氏硬度計的操作順序進行試驗，使試樣表面留下乙個壓痕。試驗時，應使載荷均勻平衡地垂直施加於試樣的測試表面，不得有衝擊或震動。
（4）移動試樣後重做一次試驗，使試樣表面又留下乙個壓痕。為了使實驗結果精確，相鄰兩壓痕的中心距離應不小於壓痕直徑的4倍；壓痕中心距試樣邊緣的距離不小於壓痕直徑的2.5倍；壓痕直徑d的大小應在0.
24d～0.6d範圍內；壓痕深度應小於試樣厚度的1/10。
（5）自工作台上取下試樣，用讀數顯微鏡在相互垂直方向上測量壓痕直徑，然後計算其平均值並做好記錄。
（6）根據壓痕直徑d，查對照表求得各試樣的布氏硬度值。
2、洛氏硬度試驗步驟
（1）硬度計試驗程式hbrv－187.5型
（2）將機身後端電源插頭接上電源後，開啟機身右側下方的光源開關，使在投影屏上能看到清晰的影像。
（3）根據試驗要求選用壓頭（120°金剛石圓錐 hrc），並將壓頭安裝在主軸的孔中，安裝時應使壓頭的肩部與主軸端麵緊密接觸，然後適當擰緊緊固螺釘。
（4）根據試驗需要選擇試驗負荷（1471n hrc），轉動機身右側的變換旋鈕，使所需負荷數字對正標記。
（5）將手柄推向後方，然後將試樣放在工作台上，轉動手輪使試樣的試麵與壓頭接觸，繼續轉動手輪，使試樣公升高，直到投影屏上的基線與左邊刻度「100」接近重合。
（6）旋轉投影屏下的調整旋鈕，使分劃板上的刻度100與投影屏橫線重合。
（7）拉動手柄，使主負荷緩慢施加在試樣上，投影屏上的刻線慢慢回行而停止在一定位置。
（8）將手柄推向後方，使主負荷卸除，此時投影屏上橫線對準標尺的數字，即為洛氏硬度值（左邊讀hrc）。
3、裡氏硬度實驗
（1）裝列印紙
●用拇指和中指輕輕捏住列印倉蓋兩端的長條稜狀凸起部位，稍稍用力使列印倉蓋向上旋起。向前上方按印表機搬把，使出紙口抬起並處於開啟狀態。
●向列印倉中裝入列印紙，拉起列印紙並對準朝向列印倉一端的出紙口並裝入。
（2）啟動
●將衝擊裝置插頭插入位於儀器上的衝擊裝置插口。
●按鍵接通電源，儀器進入測量狀態。
（3）載入
●向下推動載入套鎖住衝擊體；對於dc型衝擊裝置，則可將載入杆吸於試驗表面，將dc型衝擊裝置插入載入杆，直到停止位置為止，此時就完成加截。
●將衝擊裝置支承環緊壓在試樣表面上，衝擊方向應與試驗面垂直。
（4）測量
●按動衝擊裝置上部的釋放按鈕，進行測試。此時要求試樣、衝擊裝置、操作者均穩定，並且作用力方向應通過衝擊裝置軸線。
●試樣的每個測量部位一般進行五次試驗。資料分散不應超過平均值的±15hl。
（5）讀取測量值
（6）列印輸出結果
（7）按鍵關機
六、實驗報告
（1）洛氏硬度數值
（2）裡氏硬度試驗結果處理
用五個有效試驗點的平均值作為乙個裡氏硬度試驗資料。
th160黎克特制硬度計
（3）分析碳鋼的含碳量與硬度間關係，並畫出其關係曲線圖。
（4）分析熱處理對硬度的影響
（5）比較各種硬度計的原理及適用範圍。
實驗二碳鋼的平衡組織分析及熱處理後的組織識別
一、實驗目的
①識別碳鋼平衡組織的顯微特徵並分析成份對組織的影響。
②明確化學成分與組織變化間的關係，加深對fe－fe3c相圖的理解
③識別碳鋼熱處理後的顯微組織特徵及其相與組織組成物的分布規律。
④進一步熟悉金相顯微鏡的使用與操作。
二、金相顯微鏡的基本原理及使用
1、金相顯微鏡的基本原理
光學系統包括物鏡、目鏡及一些輔助光學零件。物鏡和目鏡分別由兩組透鏡組成。對著物體ab的一組透鏡組成物鏡o1；對著人眼的一組透鏡組成目鏡o2。
現代顯微鏡的物鏡、目鏡都由複雜的透鏡系統組成。
物鏡使物體ab形成放大的倒立實像a′b′（稱中間像），目鏡再將a′b′放大成仍倒立的虛像a″b″，其位置正好在人眼的明視距離處（即距人眼250mm處），人眼在目鏡中看到的就是這個虛像a″b″。
金相顯微鏡的主要效能如下：
1）金相顯微鏡的放大倍數
放大倍數由下式來確定：
式中m——金相顯微鏡放大倍數；
——物鏡的放大倍數；
——目鏡的放大倍數；
——物鏡的焦距；
——目鏡的焦距；
l——金相顯微鏡的光學鏡筒長度；
d——明視距離（250mm）
、越短或l越長，則金相顯微鏡的放大倍數越大。在使用時，顯微鏡的放大倍數就是物鏡和目鏡的放大倍數的乘積。
2）金相顯微鏡的鑑別率
金相顯微鏡的鑑別率是指它能清晰地分辨試樣上兩點間最小距離d的能力。在普通光線下，人眼能分辨兩點間的最小距離為0.15mm～0.
30mm，即人眼的鑑別率d為0.15mm～0.30mm，而顯微鏡當其有效放大倍數為1400倍時，其鑑別率d為0.
21μm。顯然d值越少，鑑別率就越高。鑑別率是顯微鏡的乙個最重要的效能。
《工程材料及熱加工》實驗指導書
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