实验二 碳钢的热处理操作及硬度测定
一、实验目的
1、熟悉碳钢的几种基本热处理（退火、正火、淬火及回火）操作方法。
2、了解含碳量、加热温度、冷却速度、回火温度等主要因素对碳钢热处理后性能（硬度）的影响。
3、了解不同种类硬度测定的基本原理及应用范围。
4、了解布氏、洛氏、维氏硬度实验的操作方法及设备特点。
5、学会洛氏硬度计的使用。
二、碳钢的热处理
热处理是一种很重要的金属加工工艺方法，也是充分发挥金属材料性能潜力的重要手段。热处理在改善钢材性能，提高工件使用寿命方面起着重要的作用。例如汽车后桥半轴，经热处理后其使用寿命大为提高，达数年之久。这是因为经过热处理后钢的内部组织发生了质的变化，从而引起了机械性能的改变，最后表现出使用寿命的延长。
热处理的主要目的是改变钢的性能，其中包括使用性能及工艺性能，钢的热处理工艺特点是将钢加热到一定的温度，经一定时间的保温，然后以某种速度冷却下来，通过这样的工艺过程能使钢的性能发生改变。
热处理之所以能使钢的性能发生显著变化，主要是由于钢的内部组织结构发生了一系列变化。采用不同的热处理工艺过程，将会使钢得到不同的组织结构，从而获得所需要的性能。 钢的热处理基本工艺可分为退火、正火、淬火和回火等。热处理操作中，加热温度、保温时间和冷却方式是最重要的三个关键工序，也称热处理三要素。正确选择这三种工艺参数，是热处理成功的基本保证。Fe-Fe 3C 相图和C 曲线是制定碳钢热处理工艺的重要依据。
（一）加热温度
1、退火加热温度
钢的退火通常是把钢加热到临界温度Ac 1或Ac 3以上，保温一段时间，然后缓慢地随炉冷却。此时奥氏体在高温区发生分解而得到比较接近平衡状态的组织。一般中碳钢（如40号、45号钢等）经退火后组织稳定，硬度较低（HB180~220）有利于下一步进行切削加工。 完全退火加热温度，适用于亚共析钢，Ac 3十(30~50℃) ；球化退火加热温度，适用于共
析钢和过共析钢，Ac 1十(30~50℃) 。
2、正火加热温度
对亚共析钢是Ac 3十(30~50 ℃) ；过共析钢
也就是加热到单相奥氏体是Ac cm 十(30~50 ℃) ，
区，保温后进行空冷。由于冷却速度稍快，与退
火组织相比，组织中的珠光体相对量较多，且片
层较细密，所以性能有所改善。
对低碳钢来说，正火后提高硬度可以改善切
削加工性，提高零件表面粗糙度；对高碳钢则正图2-1 退火和正火的加热温度范围 Ac cm Ac 3Ac 1火可消除网状渗碳体，为下一步球化退火及淬火做准备。不同含碳量的碳钢在退火及正火状态下的强度和硬度值见表2-1所示。退火和正火的加热温度范围见图2-1所示。
表2-1 不同含碳量的碳钢在退火及正火状态下的强度和硬度值 含碳量/%
性能 热处理状态
≤退火
硬度（HB ）
正火
退火
强度σb /Mpa
正火 3、淬火加热温度
对亚共析钢是Ac 3十(30~50 ℃) ；对共析
见图2-2钢是和过共析钢是Ac 1十(30~50 ℃) ，
所示。在此温度保温后放入各种不同的冷却介
质中快速冷却，以获得马氏体组织。碳钢经淬
火后的组织由马氏体及一定数量的残余奥氏
体所组成。
钢的临界温度Ac 1、Ac 3及Ac cm ，在热处
理手册或合金钢手册中均可查到，再经过计算
可求出钢的热处理温度。也可以利用铁碳相图图2-2 淬火加热温度范围 来确定，A 1、A 3及A cm 点的温度再加上10~20 ℃即近似为Ac 1、Ac 3及Ac cm ，然后再计算热
处理温度。
表2-2是各种碳钢的临界温度。热处理时不能任意提高加热温度。因为加热温度过高，钢的晶粒容易长大，同时钢的表面氧化和脱碳都会增加。
表2-2 各种碳钢的临界温度 临界温度/℃
类别 钢号
Ac 1 Ac 3及Ac cm A R1 A R3 淬火温度/℃
碳素结构钢
—
—
碳素工具钢 700 — 780~800 780~800 780~800
780~800
780~800 — — —
4、回火温度
钢经过淬火后得到的马氏体组织质硬而脆，并且工件内部存在很大的内应力，如果直接进行磨削加工往往会出现龟裂，一些精密的零件在使用过程中将会引起尺寸变化而失去精度，其至开裂。因此淬火钢必须进行回火处理，不同的回火工艺可以使钢获得所需的各种不同性能。表2-3为45钢淬火后经不同温度回火时的组织及性能。回火温度决定于最终所要求的组织和性能（工厂中常提出硬度的要求）。按加热温度，回火分为低温、中温及高温回火三类。
A ．低温回火 是在150~250℃进行回火，所得组织为回火马氏体，硬度约为HRC60。低温回火常用于切削刀具和量具，其主要作用是去除淬火后工件的内应力，韧性有所改善，而硬度并不降低。
B ．中温回火 是在350~500 ℃进行回火，所得组织为回火屈氏体，硬度约为HRC35 ~45。主要用于各类弹簧热处理。
C ．高温回火 是在500~650 ℃进行回火，所得组织为回火索氏体，硬度为HRC25~35。用于结构零件的热处理。其综合机械性能较好。淬火加高温回火叫调质处理。
D ．高于650 ℃的回火为珠光体，硬度较低。
表2-3 45钢淬火后经不同温度回火后的组织及性能 回火温
类型
度/℃
低温回火
中温回火 150~250 350~500 回火马氏体+残余奥氏体+碳化物 回火屈氏体 回火后组织 （HRC ） 60~57 35~45 高硬度，内应力减小 硬度适中，有高的弹性
具有良好塑性、韧性和一定强
高温回火 500~650 回火索氏体 20~33
度相配的综合性能 回火后硬度性能特点
回火温度也可用经验公式近似估算。
例如，45钢的回火温度经验公式如下：T ／℃＝200十K(60-X)
式中 K ——系数，当回火后要求的硬度值大于HRC30时，K ＝11；当硬度值小于HRC30时，K ＝12，X ——所要求的硬度值(HRC)。
（二）加热时间
热处理加热时间（包括升温和保温时间）与许多因素有关。例如：工件的尺寸、形状、使用的加热设备、装炉量、装炉温度、钢的种类（碳钢、低合金钢或高合金钢）；热处理类型（退火、正火、淬火等）、钢材的原始组织、热处理的要求和目的等。上述因素都要综合考虑。具体参考数据可查有关手册，一般情况见表2-4。
表2-4 钢铁材料热处理时的一般加热时间 工件形式
圆柱形
加热温度/℃
保温时间
方形 板形 实际工作中可以根据经验大致估算出加热时间。一般规定，在空气介质中加热，温度
升到规定温度后的保温时间，对碳钢而言，按工件厚度（或工件直径）每毫米估算需1min 或90s ；合金钢按每毫米2min 估算，可参考表2-4。在盐浴炉中加热，其保温时间为每毫米缩短1~2倍(一般为0.3~0.5min)。
（三）冷却方法
热处理的冷却方法至关重要，控制不同的冷却速度（即采用不同的冷却方式），可得到不同的组织，从而有不同的性能。
A ．退火 一般采用随炉冷却，冷到500 ℃左右，可以出炉空冷，不必在炉中冷到室温。
B ．正火 多采用空气中冷却，大件常进行吹风冷却。
C ．淬火 采用急冷方式，即冷却速度应超过钢的临界冷却速度，以保证得到马氏体组织；另一方面得到马氏体组织后，冷却速度应当尽量缓慢，以减少内应力，避免变形和开裂。为了调和上述矛盾，可以采用适当的冷却剂和冷却方法，使淬火工件在奥氏体最不稳定的温度范围（650~550℃）快冷，其冷速超过临界冷却速度；而在马氏体转变温度（300~100℃）以下慢冷。然而，现实中没有符合上述原则的理想冷却介质，使用双液淬火和分级淬火是符合上述原则的冷却方法，其它常用的淬火方法还有等温淬火法等。
表2-5 各种冷却介质的冷却能力和特性 在下列温度范围内的冷却速度/℃·S -1
冷却介质
650~550℃℃
18℃的水
26℃的水
50℃的水
74℃的水
10%NaCl水溶液（18℃）
10%NaOH水溶液（18℃）
10%NaCO3水溶液（18℃）
蒸馏水
肥皂水
菜子油（50℃）
矿物机器油（50℃）
变压器油（50℃）
常用的淬火介质有清洁的自来水、浓度为5%~10％的NaCl （食盐）水溶液、矿物油（或变压器油）。不同的冷却介质在不同的温度范围内的冷却能力有所差别。各种冷却介质的冷却能力和特性见表2-5。
三、硬度测定
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，表明金属抵抗塑性变形能力越大，材料产生塑性变形就越困难。
硬度试验的方法很多，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。
压入法硬度试验的主要特点是：
1、试验时应力状态最软（最大切应力远远大于最大正应力），因而不论是塑性材料还是脆性材料均能发生塑性变形。
2、从一定意义上用硬度试验结果可表征其它相关的力学性能。
硬度测量不仅能够给出材料软硬程度的数量关系，另外，硬度与其它机械性能（如σb 、δ、Ψ）之间有一定的内在关系。可以说，硬度的大小对于机械零件和工模具等的使用性能及寿命具有决定性意义，同时，由于测量硬度简便易行，又不损坏工件，因此在生产和科研中应用十分广泛。
材料的硬度值与抗拉强度有近似的正比关系，例如 σb ＝kHB
式中 σb —抗拉强度；HB—布氏硬度；k—系数，不同的材料和不同的热处理状态时k 值不同，退火状态的碳钢：k ≈ 0.34～0.36，调质状态的合金钢k ≈ 0.33～0.35，铸铝的k ≈ 0.26。
常用的硬度试验方法及使用范围如下：
布氏硬度：应用于黑色、有色金属的原材料检验，也可测定一般正火、退火后的材料硬度。
洛氏硬度：主要用于金属材料热处理后的产品性能检验。
维氏硬度：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：主要用于测定金属材料组织组成物或各组成相的硬度。
（一）布氏硬度(HB)
1、基本原理
将载荷P 和直径为D 的淬火钢球压入试样的表面，并保持一定时间，然后去除载荷P ，测量压痕直径d ，见图9-3所示，然后计算出布氏硬度值。
计算公式如下：若压痕的深度为h ，则压痕的面积为：
F =πDh =πD
2(D
HB =P =F 式中：P 为计算平均压力，以此作为试样硬度值，称为布氏硬度值，以符号HB 表示； F
P—施加的载荷，N ； F—压痕的表面积； D—钢球的直径，mm 2；
d—压痕直径。
在P 和D 一定的情况下，布氏硬度的高低取决于压痕的直径d ，d 越大，表明材料的HB 值越低，即材料越软；反之材料硬度高，即HB 值越大。在具体测量时，并不是每次都按上述公式去算，而是根据D 与P 值大小，测量出压痕的直径d ，然后查表即得。这种表格就是根据上述公式计算制出的，可参考附录一。
图2-3 布氏硬度的实验原理
由于材料有硬有软，工件有厚、薄、大、小之分，为适应不同的情况，其压头有ø2.5mm、 ø5mm、ø10mm三种钢球。载荷有156N 、625N 、1875N 、2500N 、7500N 、10000N 及30000N 7种。在具体测量时只要满足P ／D 2为常数，则对同一材料来说，布氏硬度值都相同；而对不同材料，所得的布氏硬度值是可进行比较的。国家标准规定P ／D 2比值为30、10、2.5三种。按表2-5布氏硬度试验的规范来选择钢球直径D 和载荷P 以及保压时间。在试样截面
大小和厚度允许的情况下，尽可能选用直径大的钢球和大的载荷，这样更接近于材料的真实性能；同时，测量的压痕大，误差也小。所以，测定钢的硬度时，尽可能用ø10mm钢球和30000N 的载荷。试验后，压痕直径应在0.25D ＜d ＜0.6D 的范围内，否则试验结果无效，应选其他规范重做实验。这是因为d 值太小，灵敏度和准确性将降低，而d 值太大，则压痕的几何形状不能保持相似的关系，从而影响准确性，具体选择可参照表2-5。
布氏硬度计的压头，是淬火的高碳工具钢制钢球，为了避免钢球压裂或变形，不能测太硬的材料。
表2-5 布氏硬度试验规范
2、布氏硬度计的构造与操作
常见的布氏硬度计有油压式和杠杆式两种。油压式是通过液体来传递压力，是比较早期的硬度计类型，容易产生过载等缺点。目前多采用杠杆式硬度计，它是通过扛杆来传递压力，是较完善的硬度计。现以HB-3000型布氏硬度计为例，介绍其主要结构，见图2-4所示。
A ．指示灯——用于表示加载过程。
B ．压头——是淬火钢球制成。
C ．载物台——放置试样。
D ．升降丝杆——使载物台升降的机构。
E ．手轮——使丝杆产生上、下旋转。
F ．载荷砝码。
G ．时间定位器——用于控制加载时间。
H ．加载按钮——用于施加载荷。
实验步骤：
（1）安装压头和载物台。
（2）选择载荷：按表2-5选择载荷。
（3）选择载荷的保持时间：保持时间一般按表2-5规定。松开压紧螺丝8，把圆盘内的弹簧定位器旋转到所需的时间位置上，压紧螺钉松开的程度应能使圆盘作回转调整即可。
（4）将试样放于载物台。
（5）测量开始，打开电源，指示灯亮。转动手轮6使试件与压头接触。然后启动按钮开关10，并立即做好拧紧螺钉8的准备，在加载荷指示灯1燃亮的同时迅速拧紧8，使圆盘随曲柄一起回转直到自动反向和停止转动为止。从加载指示灯燃亮到熄灭为全载荷保持时间。
（6）硬度测量结果：
测量完毕，转动手轮，取下试样，用测量显微镜测量试件表面的压痕直径，从互相垂直方向各测一次，取其平均值查附录表一即可得到硬度值。如用10mm 直径钢球，在30000N 载荷下保持10s ，压痕直径d ＝3.3mm 测量的硬度值为341。 图2-4 HB—3000型布氏硬度计
3、硬度计的校验方法及注意事项：
（1）校验方法：一般采用标准硬度块，对硬度读数的正确性进行校核。在标准块上三个不同位置测量硬度，取其算术平均值，该值不应该超过标准硬度值的士3％。 即：硬度计的示值误差=平均值−标准块值＜±3% 标准块值
例如：标准块的硬度为HB320，在硬度计上测得为HB328时，说明硬度计读数比标准块高8个单位，所以试件测得的硬度应减去8。
对硬度计的载荷，可用标准测力计进行测量，载荷误差不应超过土1％，否则应该进行修理后才能使用。
（2）注意事项：
A ．试样的表面应为光滑平面，无氧化皮、油污，在加工制作过程中不应受热或加工硬化而改变其硬度。
B ．试样厚度不应小于压痕深度的10倍，压痕中心到试件边缘的距离不应小于压痕直径的2.5倍，而相邻的压痕中心距离不应小于压痕直径的4倍。
C ．压痕必须准确地测量，压痕直径应从相互垂直的两个方向测量，并取其算术平均值。压痕直径之差应不大于较小直径的2％。ø5、øl0mm钢球压痕测量准确度应为0.1mm ；ø
2.5mm 钢球测量准确度应为0.01mm 。
如不符合上述条件，则试验结果无效，此时应选择相应的负荷重新试验。试验后若试样边缘或试样背面呈现变形痕迹，则试验无效，也应重新选择试验条件再做。
目前布氏硬度的表示仍然用kg ／mm 2为单位，主要是考虑到硬度值与过去数据进行比较时的方便。
（二）洛氏硬度(HR)
洛氏硬度法克服了布氏硬度法的缺点，它的压痕较小，可测量较高硬度，直接读数，操作方便、效率高，故为热处理产品检验的主要方法之一。
1、测试原理
洛氏硬度法也采用压入法，它用金刚石和钢球作压头。但它是以压痕的陷凹深度作为计量硬度的指标。
为了可以用一个试验机测定从软到硬材料的硬度，洛氏硬度采用不同的压头和总负荷，组成了15种不同的洛氏硬度标尺。表2-6为各种洛氏硬度标尺的试验条件及其应用。每一种标尺用一个字母在HR 后注明。我国最常用的标尺有A 、B 、C 三种，其硬度值的符号分
别用HRA 、HRB 、HRC 表示，钢铁材料常用HRB 和HRC 两种标尺测定。
表2-6 各种洛氏硬度标尺的、试验条件及其应用
各种洛氏硬度的测量原理都相似，现以测量HRB 、HRC 为例说明之。
洛氏硬度试验常用的压头为圆锥角α＝120°、顶部曲率半径为0.2mm 的金刚石圆锥体或直径D ＝1.588mm 的淬火钢球。试验时（图2-5），总载荷P 分两次加到压头上。首先加入预载荷p 0，使压头与试样的表面接触良好，此时压痕深度为h l ；然后加入主载荷p 1，这时总载荷P ＝p 0十p 1，此时压痕深度增加到h 2位置。随后将主载荷卸除，此时压痕由于加载时所产生的弹性变形已恢复，这时压痕深度h 3＝h 2- h1作为测量的依据。
如果直接以压痕深度h 来计量硬度指标，那么就会出现硬的金属硬度值小，而软金属硬度值反而大的现象，这和布氏硬度值大小相反，不符合人们的习惯，因此用一常数k 来减去所得的压痕深度值作为洛氏硬度的指标。
即：HR ＝k-h
当以钢球为压头时，k ＝0.26；以金刚石锥
图2-5 洛氏硬度的测量原理
体为压头时，k ＝0.2。此外，在读数上又规定以压入深度0.002mm 作为标尺刻度的一格，这样前者的0.26常数相当于130格，后者0.2常数相当于100格，因此洛氏硬度值可由下式
确定：
HRB=130-
h
0.002h
HRC=100- 0.002
可见：当压痕深度h ＝0.2mm 时，则：HRC ＝0，HRB ＝30。这也说明为什么HRB 要取
0.26作为常数的原因，因为HRB 是测定较软金属材料的，试测时有的压痕深度可能超过0.2mm 以上，若取0.2作常数，硬度将会得出负值，为此，HRB 的常数取的大些。
2．洛氏硬度计的构造与操作
图2-6 HR-150A洛氏硬度计结构图
洛氏硬度计类型较多，外形构造也不相同，但构造原理及主要部件相同，现以HR-150A 洛氏硬度为例，介绍其主要结构，见图2-6所示。洛氏硬度计测量方法如下：
A ．按表2-6选择压头及载荷。 B ．根据试件大小及形状选择载物台。 C ．将试件上下两面磨平，然后置于载物台上。
D ．加预载荷。按顺时针方向转动升降机构的手轮，使试样与压头接触，并观察读数百分表上小针移动至小红点上为止。
E ．调整读数表盘，使百分表盘上的长针对准硬度值的起点。如测量HRC 、HRA 硬度时，把长针与表盘上黑字G 处对准；测量HRB 时，使长针与表盘上红字B 处对准。
F ．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5~7s)，并停留10s 。
G ．卸除主载荷。扳回加载手柄至原来位置。
H ．读数。表上长针指示的数字为硬度的读数。HRC 、HRA 读黑数字；HRB 读红数字。 I ．下降载物台，取出试样。
J ．用同样方法在试件的不同位置测三个数据、取其算术平均值为试件的硬度值。 洛氏硬度与布氏硬度之间有一定的换算关系。对钢铁材料而言，大致有下列关系式（可参照附录一）：
HB ≈ 2HRB；HB ≈ 10HRC（只当HRC ＝40~60范围） 3、洛氏硬度测量注意事项
A ．试件的准备：试件表面应磨平、且无氧化皮和油污等，试件形状应能保证试验面与压头轴线相垂直，测试过程中无滑动。
试件的最小厚度应不小于压入深度的8倍，测量后试件的支撑面上不应有变形痕迹。 B ．压痕间距或压痕与试件边缘距离，HRA ＞2.5mm ；HRc ＞2.5mm ；HRB ＞4mm 。 C ．不同的洛氏硬度有不同的适用范围，应按表2-6选择压头及载荷。这是因为超出规定的测量范围时，硬度计的精确度及灵敏度均较差，以致结果的准确性较差。例如：HRB102，HRC18等的写法是不准确的，不宜使用。 （三）维氏硬度
维氏硬度的试验原理与布氏硬度相同，也是根据压痕单位面积所承受的试验力来表示的。所不同的是维氏硬度用的是压头不是球体而是两对面夹角α = 136°的金刚石四棱锥体。压头在试验力F 作用下，将试样表面压出一个四棱锥形压痕，经规定时间保持载荷之后，卸除试验力，由读数显微镜测出压痕对角线平均长度D ，见图2-7。
维氏硬度值（HV ）就是试验力P 除以压痕
图2-7 金刚石棱锥压头
表面积F 所得的商。当试验力P 为1kgf （9.8N ）时计算公式如下：
136°）2P sin （P =1.8544P HV==
d 2d 2F
当试验力P 为1N 时计算公式如下：
136°）（0.102P sin 0.102P =0.1891P =HV=
F d 2d 2
与布氏硬度一样，维氏硬度值也不标注单位，维氏使度值的表示方法是：在HV 前书写硬度值，HV 后按顺序用数字表示试验条件（试验力/试验力保持时间，保持时间为10～15s 者不标）。例如640HV30/20表示用30kgf （294N ）试验力保持20s 测定的维氏硬度值为640。如果试验力为1kgf （9.8N ），试验加载保持时间10～15s ，测得的硬度值为560，则可表示为560HV1。
维氏硬度试验的试验力为5(49)～100(980)kgf（N ）；小负荷维氏硬度试验的试验力为0.2(1.96)～＜5(49)kgf（N ），可根据试样材料的硬度范围和厚度来进行选择。其选择原则应保证试验后压痕深度h 小于试样厚度（或表面层厚度）的1／10。
在一般情况下，建议选用试验力30kgf （294N ）。当被测金属试样组织较粗大时，也可选用较大试验力。但当材料硬度 ≥ 500HV时，不宜选用大试验力，以免损坏压头。试样力的保持时间选择，黑色金属10～15s ，有色金属30土2s 。 （四）显微硬度
金属显微硬度试验原理与宏观维氏硬度的试验方法完全相同。只不过所用试验力比小负荷维氏硬度试验时还要小，通常在0.01～0.2kgf （0.098～1.96N ）范围内。所得压痕对角线也只有几微米至几十微米。因此，显微硬度是研究金属微观组织性能的重要手段，常用于测定合金中不同的相、表面硬化层、化学热处理渗层、镀层及金属箔等的显微硬度。
金属显微硬度的符号、硬度值的计算公式和表示方法与宏观维氏硬度的试验方法完全相同。金属显微硬度试验的试验力，分为0.0l （98×10-3）、0.02（0.196）、0.05（0.49）、0.1（0.98）及0.2（1.96）kgf （N ）等五级。尽可能选用较大的试验力进行试验。
本实验依据的国家标准：
1、GB321-84 金属布氏硬度试验方法 2、GB230-83 金属洛氏硬度试验方法 3、GB1818-79 金属表面洛氏硬度试验方法 4、GB4340-84 金属维氏硬度试验方法 5、GB5030-85 金属小负荷维氏硬度试验方法 6、GB4342-84 金属显微维氏硬度试验方法
四、实验设备及材料
1、45、T8、A3钢试样，尺寸分别为ø10mm×15mm、ø10mm×12mm。试样由实验室预先作炉冷处理
2、箱式电阻炉 3、洛氏硬度计 4、回火电炉三台 5、淬火水槽一只
6、水银温度计、钳子、铁丝等
五、实验方案
1、实验试样：
A 、45#钢：860℃保温30min 后水冷——（600℃，400℃，200℃）保温40min 回火。分别打硬度。
B 、T8钢：780℃保温30min 后水冷——（600℃，400℃，200℃）保温40min 回火。分别打硬度。
C 、A3钢：直接打硬度。 2、实验过程安排
8：00am 炉子升温，学生听老师讲解。
9：00am －9：30am 将T8和45＃钢分别放在780和860℃的炉子保温30分钟，并以A3钢为例子讲解硬度计的使用，并让学生自己操作。
9：30am －9：45am 将T8和45＃钢淬火（分两组同时进行）。 9：45am －10：30am 降低炉温，并讲解热处理炉方面知识。 10：30am 将淬火后的样品分别在600、400、200℃回火。 接下来学生自己操作给各种状态的T8和45钢打硬度。 学生分组
钢种℃℃℃℃℃
5个
5个 5个
5个 5个
5个 5个
A （15人）＃
B （14人）5个
每组10个，测试硬度，保证每个学生要测量2个点。
六、实验报告以及要求：
实验2 碳钢热处理操作以及材料硬度测定
一、实验目的：
二、实验材料及设备型号：
三、实验步骤:
四、实验结果:
1、简述洛氏硬度计的基本原理和主要结构。
2、扼要记述洛氏硬度计的使用方法及注意事项。
3、列出全套硬度数据（2组），将HRB 、HRC 的硬度值查表换算为HB 或HV 值，并预计两种材料热处理后的组织，填入表格。
五． 作业
1、将同一块经表面热处理（如氮化）的试样分别在普通洛氏硬度计和表面洛氏硬度计上测得的硬度值是否相等？哪一个是正确的？为什么？
2、若两个硬度压痕之间的距离很小时，所测得的硬度值会偏高还是偏低？为什么？
3、分析含碳量、淬火温度、冷却方式及回火温度对碳钢性能（硬度）的影响。根据数据画出它们同硬度的关系曲线，并阐明硬度变化的原因。
硬度测试表
A 组（15人，共20个样品）
热处理工艺
淬火
钢号
加热温度
保温时间
冷却方式
加热温度
回火 保温时间
冷却方式
硬度值（HRC ）
估计组织
序号
123
平均
总平均值并换算为HB 或HV
无
600℃
45
＃
30 min
水淬
40 min
空冷
400℃
40
min
空冷
200℃
40
min
空冷
A3
无
860℃
硬度测试表
B 组(14人，共20个样品) 钢号
加热温度
热处理工艺
淬火 保温时间
冷却方式
加热温度
回火 保温时间
冷却方式
序号
1
2
3
平均
硬度值（HRC ）
估计组织
总平均值并换算为HB 或HV
T8
760℃水
min 淬
无 600℃
40
min 空冷
400℃
40
min 空冷
200℃
40
min 空冷
A3 无
附录一 金属布氏硬度数值表
附录二 各种硬度（HB 、HR 、HV ）换算表
实验二 碳钢的热处理操作及硬度测定
一、实验目的
1、熟悉碳钢的几种基本热处理（退火、正火、淬火及回火）操作方法。
2、了解含碳量、加热温度、冷却速度、回火温度等主要因素对碳钢热处理后性能（硬度）的影响。
3、了解不同种类硬度测定的基本原理及应用范围。
4、了解布氏、洛氏、维氏硬度实验的操作方法及设备特点。
5、学会洛氏硬度计的使用。
二、碳钢的热处理
热处理是一种很重要的金属加工工艺方法，也是充分发挥金属材料性能潜力的重要手段。热处理在改善钢材性能，提高工件使用寿命方面起着重要的作用。例如汽车后桥半轴，经热处理后其使用寿命大为提高，达数年之久。这是因为经过热处理后钢的内部组织发生了质的变化，从而引起了机械性能的改变，最后表现出使用寿命的延长。
热处理的主要目的是改变钢的性能，其中包括使用性能及工艺性能，钢的热处理工艺特点是将钢加热到一定的温度，经一定时间的保温，然后以某种速度冷却下来，通过这样的工艺过程能使钢的性能发生改变。
热处理之所以能使钢的性能发生显著变化，主要是由于钢的内部组织结构发生了一系列变化。采用不同的热处理工艺过程，将会使钢得到不同的组织结构，从而获得所需要的性能。 钢的热处理基本工艺可分为退火、正火、淬火和回火等。热处理操作中，加热温度、保温时间和冷却方式是最重要的三个关键工序，也称热处理三要素。正确选择这三种工艺参数，是热处理成功的基本保证。Fe-Fe 3C 相图和C 曲线是制定碳钢热处理工艺的重要依据。
（一）加热温度
1、退火加热温度
钢的退火通常是把钢加热到临界温度Ac 1或Ac 3以上，保温一段时间，然后缓慢地随炉冷却。此时奥氏体在高温区发生分解而得到比较接近平衡状态的组织。一般中碳钢（如40号、45号钢等）经退火后组织稳定，硬度较低（HB180~220）有利于下一步进行切削加工。 完全退火加热温度，适用于亚共析钢，Ac 3十(30~50℃) ；球化退火加热温度，适用于共
析钢和过共析钢，Ac 1十(30~50℃) 。
2、正火加热温度
对亚共析钢是Ac 3十(30~50 ℃) ；过共析钢
也就是加热到单相奥氏体是Ac cm 十(30~50 ℃) ，
区，保温后进行空冷。由于冷却速度稍快，与退
火组织相比，组织中的珠光体相对量较多，且片
层较细密，所以性能有所改善。
对低碳钢来说，正火后提高硬度可以改善切
削加工性，提高零件表面粗糙度；对高碳钢则正图2-1 退火和正火的加热温度范围 Ac cm Ac 3Ac 1火可消除网状渗碳体，为下一步球化退火及淬火做准备。不同含碳量的碳钢在退火及正火状态下的强度和硬度值见表2-1所示。退火和正火的加热温度范围见图2-1所示。
表2-1 不同含碳量的碳钢在退火及正火状态下的强度和硬度值 含碳量/%
性能 热处理状态
≤退火
硬度（HB ）
正火
退火
强度σb /Mpa
正火 3、淬火加热温度
对亚共析钢是Ac 3十(30~50 ℃) ；对共析
见图2-2钢是和过共析钢是Ac 1十(30~50 ℃) ，
所示。在此温度保温后放入各种不同的冷却介
质中快速冷却，以获得马氏体组织。碳钢经淬
火后的组织由马氏体及一定数量的残余奥氏
体所组成。
钢的临界温度Ac 1、Ac 3及Ac cm ，在热处
理手册或合金钢手册中均可查到，再经过计算
可求出钢的热处理温度。也可以利用铁碳相图图2-2 淬火加热温度范围 来确定，A 1、A 3及A cm 点的温度再加上10~20 ℃即近似为Ac 1、Ac 3及Ac cm ，然后再计算热
处理温度。
表2-2是各种碳钢的临界温度。热处理时不能任意提高加热温度。因为加热温度过高，钢的晶粒容易长大，同时钢的表面氧化和脱碳都会增加。
表2-2 各种碳钢的临界温度 临界温度/℃
类别 钢号
Ac 1 Ac 3及Ac cm A R1 A R3 淬火温度/℃
碳素结构钢
—
—
碳素工具钢 700 — 780~800 780~800 780~800
780~800
780~800 — — —
4、回火温度
钢经过淬火后得到的马氏体组织质硬而脆，并且工件内部存在很大的内应力，如果直接进行磨削加工往往会出现龟裂，一些精密的零件在使用过程中将会引起尺寸变化而失去精度，其至开裂。因此淬火钢必须进行回火处理，不同的回火工艺可以使钢获得所需的各种不同性能。表2-3为45钢淬火后经不同温度回火时的组织及性能。回火温度决定于最终所要求的组织和性能（工厂中常提出硬度的要求）。按加热温度，回火分为低温、中温及高温回火三类。
A ．低温回火 是在150~250℃进行回火，所得组织为回火马氏体，硬度约为HRC60。低温回火常用于切削刀具和量具，其主要作用是去除淬火后工件的内应力，韧性有所改善，而硬度并不降低。
B ．中温回火 是在350~500 ℃进行回火，所得组织为回火屈氏体，硬度约为HRC35 ~45。主要用于各类弹簧热处理。
C ．高温回火 是在500~650 ℃进行回火，所得组织为回火索氏体，硬度为HRC25~35。用于结构零件的热处理。其综合机械性能较好。淬火加高温回火叫调质处理。
D ．高于650 ℃的回火为珠光体，硬度较低。
表2-3 45钢淬火后经不同温度回火后的组织及性能 回火温
类型
度/℃
低温回火
中温回火 150~250 350~500 回火马氏体+残余奥氏体+碳化物 回火屈氏体 回火后组织 （HRC ） 60~57 35~45 高硬度，内应力减小 硬度适中，有高的弹性
具有良好塑性、韧性和一定强
高温回火 500~650 回火索氏体 20~33
度相配的综合性能 回火后硬度性能特点
回火温度也可用经验公式近似估算。
例如，45钢的回火温度经验公式如下：T ／℃＝200十K(60-X)
式中 K ——系数，当回火后要求的硬度值大于HRC30时，K ＝11；当硬度值小于HRC30时，K ＝12，X ——所要求的硬度值(HRC)。
（二）加热时间
热处理加热时间（包括升温和保温时间）与许多因素有关。例如：工件的尺寸、形状、使用的加热设备、装炉量、装炉温度、钢的种类（碳钢、低合金钢或高合金钢）；热处理类型（退火、正火、淬火等）、钢材的原始组织、热处理的要求和目的等。上述因素都要综合考虑。具体参考数据可查有关手册，一般情况见表2-4。
表2-4 钢铁材料热处理时的一般加热时间 工件形式
圆柱形
加热温度/℃
保温时间
方形 板形 实际工作中可以根据经验大致估算出加热时间。一般规定，在空气介质中加热，温度
升到规定温度后的保温时间，对碳钢而言，按工件厚度（或工件直径）每毫米估算需1min 或90s ；合金钢按每毫米2min 估算，可参考表2-4。在盐浴炉中加热，其保温时间为每毫米缩短1~2倍(一般为0.3~0.5min)。
（三）冷却方法
热处理的冷却方法至关重要，控制不同的冷却速度（即采用不同的冷却方式），可得到不同的组织，从而有不同的性能。
A ．退火 一般采用随炉冷却，冷到500 ℃左右，可以出炉空冷，不必在炉中冷到室温。
B ．正火 多采用空气中冷却，大件常进行吹风冷却。
C ．淬火 采用急冷方式，即冷却速度应超过钢的临界冷却速度，以保证得到马氏体组织；另一方面得到马氏体组织后，冷却速度应当尽量缓慢，以减少内应力，避免变形和开裂。为了调和上述矛盾，可以采用适当的冷却剂和冷却方法，使淬火工件在奥氏体最不稳定的温度范围（650~550℃）快冷，其冷速超过临界冷却速度；而在马氏体转变温度（300~100℃）以下慢冷。然而，现实中没有符合上述原则的理想冷却介质，使用双液淬火和分级淬火是符合上述原则的冷却方法，其它常用的淬火方法还有等温淬火法等。
表2-5 各种冷却介质的冷却能力和特性 在下列温度范围内的冷却速度/℃·S -1
冷却介质
650~550℃℃
18℃的水
26℃的水
50℃的水
74℃的水
10%NaCl水溶液（18℃）
10%NaOH水溶液（18℃）
10%NaCO3水溶液（18℃）
蒸馏水
肥皂水
菜子油（50℃）
矿物机器油（50℃）
变压器油（50℃）
常用的淬火介质有清洁的自来水、浓度为5%~10％的NaCl （食盐）水溶液、矿物油（或变压器油）。不同的冷却介质在不同的温度范围内的冷却能力有所差别。各种冷却介质的冷却能力和特性见表2-5。
三、硬度测定
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，表明金属抵抗塑性变形能力越大，材料产生塑性变形就越困难。
硬度试验的方法很多，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。
压入法硬度试验的主要特点是：
1、试验时应力状态最软（最大切应力远远大于最大正应力），因而不论是塑性材料还是脆性材料均能发生塑性变形。
2、从一定意义上用硬度试验结果可表征其它相关的力学性能。
硬度测量不仅能够给出材料软硬程度的数量关系，另外，硬度与其它机械性能（如σb 、δ、Ψ）之间有一定的内在关系。可以说，硬度的大小对于机械零件和工模具等的使用性能及寿命具有决定性意义，同时，由于测量硬度简便易行，又不损坏工件，因此在生产和科研中应用十分广泛。
材料的硬度值与抗拉强度有近似的正比关系，例如 σb ＝kHB
式中 σb —抗拉强度；HB—布氏硬度；k—系数，不同的材料和不同的热处理状态时k 值不同，退火状态的碳钢：k ≈ 0.34～0.36，调质状态的合金钢k ≈ 0.33～0.35，铸铝的k ≈ 0.26。
常用的硬度试验方法及使用范围如下：
布氏硬度：应用于黑色、有色金属的原材料检验，也可测定一般正火、退火后的材料硬度。
洛氏硬度：主要用于金属材料热处理后的产品性能检验。
维氏硬度：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：主要用于测定金属材料组织组成物或各组成相的硬度。
（一）布氏硬度(HB)
1、基本原理
将载荷P 和直径为D 的淬火钢球压入试样的表面，并保持一定时间，然后去除载荷P ，测量压痕直径d ，见图9-3所示，然后计算出布氏硬度值。
计算公式如下：若压痕的深度为h ，则压痕的面积为：
F =πDh =πD
2(D
HB =P =F 式中：P 为计算平均压力，以此作为试样硬度值，称为布氏硬度值，以符号HB 表示； F
P—施加的载荷，N ； F—压痕的表面积； D—钢球的直径，mm 2；
d—压痕直径。
在P 和D 一定的情况下，布氏硬度的高低取决于压痕的直径d ，d 越大，表明材料的HB 值越低，即材料越软；反之材料硬度高，即HB 值越大。在具体测量时，并不是每次都按上述公式去算，而是根据D 与P 值大小，测量出压痕的直径d ，然后查表即得。这种表格就是根据上述公式计算制出的，可参考附录一。
图2-3 布氏硬度的实验原理
由于材料有硬有软，工件有厚、薄、大、小之分，为适应不同的情况，其压头有ø2.5mm、 ø5mm、ø10mm三种钢球。载荷有156N 、625N 、1875N 、2500N 、7500N 、10000N 及30000N 7种。在具体测量时只要满足P ／D 2为常数，则对同一材料来说，布氏硬度值都相同；而对不同材料，所得的布氏硬度值是可进行比较的。国家标准规定P ／D 2比值为30、10、2.5三种。按表2-5布氏硬度试验的规范来选择钢球直径D 和载荷P 以及保压时间。在试样截面
大小和厚度允许的情况下，尽可能选用直径大的钢球和大的载荷，这样更接近于材料的真实性能；同时，测量的压痕大，误差也小。所以，测定钢的硬度时，尽可能用ø10mm钢球和30000N 的载荷。试验后，压痕直径应在0.25D ＜d ＜0.6D 的范围内，否则试验结果无效，应选其他规范重做实验。这是因为d 值太小，灵敏度和准确性将降低，而d 值太大，则压痕的几何形状不能保持相似的关系，从而影响准确性，具体选择可参照表2-5。
布氏硬度计的压头，是淬火的高碳工具钢制钢球，为了避免钢球压裂或变形，不能测太硬的材料。
表2-5 布氏硬度试验规范
2、布氏硬度计的构造与操作
常见的布氏硬度计有油压式和杠杆式两种。油压式是通过液体来传递压力，是比较早期的硬度计类型，容易产生过载等缺点。目前多采用杠杆式硬度计，它是通过扛杆来传递压力，是较完善的硬度计。现以HB-3000型布氏硬度计为例，介绍其主要结构，见图2-4所示。
A ．指示灯——用于表示加载过程。
B ．压头——是淬火钢球制成。
C ．载物台——放置试样。
D ．升降丝杆——使载物台升降的机构。
E ．手轮——使丝杆产生上、下旋转。
F ．载荷砝码。
G ．时间定位器——用于控制加载时间。
H ．加载按钮——用于施加载荷。
实验步骤：
（1）安装压头和载物台。
（2）选择载荷：按表2-5选择载荷。
（3）选择载荷的保持时间：保持时间一般按表2-5规定。松开压紧螺丝8，把圆盘内的弹簧定位器旋转到所需的时间位置上，压紧螺钉松开的程度应能使圆盘作回转调整即可。
（4）将试样放于载物台。
（5）测量开始，打开电源，指示灯亮。转动手轮6使试件与压头接触。然后启动按钮开关10，并立即做好拧紧螺钉8的准备，在加载荷指示灯1燃亮的同时迅速拧紧8，使圆盘随曲柄一起回转直到自动反向和停止转动为止。从加载指示灯燃亮到熄灭为全载荷保持时间。
（6）硬度测量结果：
测量完毕，转动手轮，取下试样，用测量显微镜测量试件表面的压痕直径，从互相垂直方向各测一次，取其平均值查附录表一即可得到硬度值。如用10mm 直径钢球，在30000N 载荷下保持10s ，压痕直径d ＝3.3mm 测量的硬度值为341。 图2-4 HB—3000型布氏硬度计
3、硬度计的校验方法及注意事项：
（1）校验方法：一般采用标准硬度块，对硬度读数的正确性进行校核。在标准块上三个不同位置测量硬度，取其算术平均值，该值不应该超过标准硬度值的士3％。 即：硬度计的示值误差=平均值−标准块值＜±3% 标准块值
例如：标准块的硬度为HB320，在硬度计上测得为HB328时，说明硬度计读数比标准块高8个单位，所以试件测得的硬度应减去8。
对硬度计的载荷，可用标准测力计进行测量，载荷误差不应超过土1％，否则应该进行修理后才能使用。
（2）注意事项：
A ．试样的表面应为光滑平面，无氧化皮、油污，在加工制作过程中不应受热或加工硬化而改变其硬度。
B ．试样厚度不应小于压痕深度的10倍，压痕中心到试件边缘的距离不应小于压痕直径的2.5倍，而相邻的压痕中心距离不应小于压痕直径的4倍。
C ．压痕必须准确地测量，压痕直径应从相互垂直的两个方向测量，并取其算术平均值。压痕直径之差应不大于较小直径的2％。ø5、øl0mm钢球压痕测量准确度应为0.1mm ；ø
2.5mm 钢球测量准确度应为0.01mm 。
如不符合上述条件，则试验结果无效，此时应选择相应的负荷重新试验。试验后若试样边缘或试样背面呈现变形痕迹，则试验无效，也应重新选择试验条件再做。
目前布氏硬度的表示仍然用kg ／mm 2为单位，主要是考虑到硬度值与过去数据进行比较时的方便。
（二）洛氏硬度(HR)
洛氏硬度法克服了布氏硬度法的缺点，它的压痕较小，可测量较高硬度，直接读数，操作方便、效率高，故为热处理产品检验的主要方法之一。
1、测试原理
洛氏硬度法也采用压入法，它用金刚石和钢球作压头。但它是以压痕的陷凹深度作为计量硬度的指标。
为了可以用一个试验机测定从软到硬材料的硬度，洛氏硬度采用不同的压头和总负荷，组成了15种不同的洛氏硬度标尺。表2-6为各种洛氏硬度标尺的试验条件及其应用。每一种标尺用一个字母在HR 后注明。我国最常用的标尺有A 、B 、C 三种，其硬度值的符号分
别用HRA 、HRB 、HRC 表示，钢铁材料常用HRB 和HRC 两种标尺测定。
表2-6 各种洛氏硬度标尺的、试验条件及其应用
各种洛氏硬度的测量原理都相似，现以测量HRB 、HRC 为例说明之。
洛氏硬度试验常用的压头为圆锥角α＝120°、顶部曲率半径为0.2mm 的金刚石圆锥体或直径D ＝1.588mm 的淬火钢球。试验时（图2-5），总载荷P 分两次加到压头上。首先加入预载荷p 0，使压头与试样的表面接触良好，此时压痕深度为h l ；然后加入主载荷p 1，这时总载荷P ＝p 0十p 1，此时压痕深度增加到h 2位置。随后将主载荷卸除，此时压痕由于加载时所产生的弹性变形已恢复，这时压痕深度h 3＝h 2- h1作为测量的依据。
如果直接以压痕深度h 来计量硬度指标，那么就会出现硬的金属硬度值小，而软金属硬度值反而大的现象，这和布氏硬度值大小相反，不符合人们的习惯，因此用一常数k 来减去所得的压痕深度值作为洛氏硬度的指标。
即：HR ＝k-h
当以钢球为压头时，k ＝0.26；以金刚石锥
图2-5 洛氏硬度的测量原理
体为压头时，k ＝0.2。此外，在读数上又规定以压入深度0.002mm 作为标尺刻度的一格，这样前者的0.26常数相当于130格，后者0.2常数相当于100格，因此洛氏硬度值可由下式
确定：
HRB=130-
h
0.002h
HRC=100- 0.002
可见：当压痕深度h ＝0.2mm 时，则：HRC ＝0，HRB ＝30。这也说明为什么HRB 要取
0.26作为常数的原因，因为HRB 是测定较软金属材料的，试测时有的压痕深度可能超过0.2mm 以上，若取0.2作常数，硬度将会得出负值，为此，HRB 的常数取的大些。
2．洛氏硬度计的构造与操作
图2-6 HR-150A洛氏硬度计结构图
洛氏硬度计类型较多，外形构造也不相同，但构造原理及主要部件相同，现以HR-150A 洛氏硬度为例，介绍其主要结构，见图2-6所示。洛氏硬度计测量方法如下：
A ．按表2-6选择压头及载荷。 B ．根据试件大小及形状选择载物台。 C ．将试件上下两面磨平，然后置于载物台上。
D ．加预载荷。按顺时针方向转动升降机构的手轮，使试样与压头接触，并观察读数百分表上小针移动至小红点上为止。
E ．调整读数表盘，使百分表盘上的长针对准硬度值的起点。如测量HRC 、HRA 硬度时，把长针与表盘上黑字G 处对准；测量HRB 时，使长针与表盘上红字B 处对准。
F ．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5~7s)，并停留10s 。
G ．卸除主载荷。扳回加载手柄至原来位置。
H ．读数。表上长针指示的数字为硬度的读数。HRC 、HRA 读黑数字；HRB 读红数字。 I ．下降载物台，取出试样。
J ．用同样方法在试件的不同位置测三个数据、取其算术平均值为试件的硬度值。 洛氏硬度与布氏硬度之间有一定的换算关系。对钢铁材料而言，大致有下列关系式（可参照附录一）：
HB ≈ 2HRB；HB ≈ 10HRC（只当HRC ＝40~60范围） 3、洛氏硬度测量注意事项
A ．试件的准备：试件表面应磨平、且无氧化皮和油污等，试件形状应能保证试验面与压头轴线相垂直，测试过程中无滑动。
试件的最小厚度应不小于压入深度的8倍，测量后试件的支撑面上不应有变形痕迹。 B ．压痕间距或压痕与试件边缘距离，HRA ＞2.5mm ；HRc ＞2.5mm ；HRB ＞4mm 。 C ．不同的洛氏硬度有不同的适用范围，应按表2-6选择压头及载荷。这是因为超出规定的测量范围时，硬度计的精确度及灵敏度均较差，以致结果的准确性较差。例如：HRB102，HRC18等的写法是不准确的，不宜使用。 （三）维氏硬度
维氏硬度的试验原理与布氏硬度相同，也是根据压痕单位面积所承受的试验力来表示的。所不同的是维氏硬度用的是压头不是球体而是两对面夹角α = 136°的金刚石四棱锥体。压头在试验力F 作用下，将试样表面压出一个四棱锥形压痕，经规定时间保持载荷之后，卸除试验力，由读数显微镜测出压痕对角线平均长度D ，见图2-7。
维氏硬度值（HV ）就是试验力P 除以压痕
图2-7 金刚石棱锥压头
表面积F 所得的商。当试验力P 为1kgf （9.8N ）时计算公式如下：
136°）2P sin （P =1.8544P HV==
d 2d 2F
当试验力P 为1N 时计算公式如下：
136°）（0.102P sin 0.102P =0.1891P =HV=
F d 2d 2
与布氏硬度一样，维氏硬度值也不标注单位，维氏使度值的表示方法是：在HV 前书写硬度值，HV 后按顺序用数字表示试验条件（试验力/试验力保持时间，保持时间为10～15s 者不标）。例如640HV30/20表示用30kgf （294N ）试验力保持20s 测定的维氏硬度值为640。如果试验力为1kgf （9.8N ），试验加载保持时间10～15s ，测得的硬度值为560，则可表示为560HV1。
维氏硬度试验的试验力为5(49)～100(980)kgf（N ）；小负荷维氏硬度试验的试验力为0.2(1.96)～＜5(49)kgf（N ），可根据试样材料的硬度范围和厚度来进行选择。其选择原则应保证试验后压痕深度h 小于试样厚度（或表面层厚度）的1／10。
在一般情况下，建议选用试验力30kgf （294N ）。当被测金属试样组织较粗大时，也可选用较大试验力。但当材料硬度 ≥ 500HV时，不宜选用大试验力，以免损坏压头。试样力的保持时间选择，黑色金属10～15s ，有色金属30土2s 。 （四）显微硬度
金属显微硬度试验原理与宏观维氏硬度的试验方法完全相同。只不过所用试验力比小负荷维氏硬度试验时还要小，通常在0.01～0.2kgf （0.098～1.96N ）范围内。所得压痕对角线也只有几微米至几十微米。因此，显微硬度是研究金属微观组织性能的重要手段，常用于测定合金中不同的相、表面硬化层、化学热处理渗层、镀层及金属箔等的显微硬度。
金属显微硬度的符号、硬度值的计算公式和表示方法与宏观维氏硬度的试验方法完全相同。金属显微硬度试验的试验力，分为0.0l （98×10-3）、0.02（0.196）、0.05（0.49）、0.1（0.98）及0.2（1.96）kgf （N ）等五级。尽可能选用较大的试验力进行试验。
本实验依据的国家标准：
1、GB321-84 金属布氏硬度试验方法 2、GB230-83 金属洛氏硬度试验方法 3、GB1818-79 金属表面洛氏硬度试验方法 4、GB4340-84 金属维氏硬度试验方法 5、GB5030-85 金属小负荷维氏硬度试验方法 6、GB4342-84 金属显微维氏硬度试验方法
四、实验设备及材料
1、45、T8、A3钢试样，尺寸分别为ø10mm×15mm、ø10mm×12mm。试样由实验室预先作炉冷处理
2、箱式电阻炉 3、洛氏硬度计 4、回火电炉三台 5、淬火水槽一只
6、水银温度计、钳子、铁丝等
五、实验方案
1、实验试样：
A 、45#钢：860℃保温30min 后水冷——（600℃，400℃，200℃）保温40min 回火。分别打硬度。
B 、T8钢：780℃保温30min 后水冷——（600℃，400℃，200℃）保温40min 回火。分别打硬度。
C 、A3钢：直接打硬度。 2、实验过程安排
8：00am 炉子升温，学生听老师讲解。
9：00am －9：30am 将T8和45＃钢分别放在780和860℃的炉子保温30分钟，并以A3钢为例子讲解硬度计的使用，并让学生自己操作。
9：30am －9：45am 将T8和45＃钢淬火（分两组同时进行）。 9：45am －10：30am 降低炉温，并讲解热处理炉方面知识。 10：30am 将淬火后的样品分别在600、400、200℃回火。 接下来学生自己操作给各种状态的T8和45钢打硬度。 学生分组
钢种℃℃℃℃℃
5个
5个 5个
5个 5个
5个 5个
A （15人）＃
B （14人）5个
每组10个，测试硬度，保证每个学生要测量2个点。
六、实验报告以及要求：
实验2 碳钢热处理操作以及材料硬度测定
一、实验目的：
二、实验材料及设备型号：
三、实验步骤:
四、实验结果:
1、简述洛氏硬度计的基本原理和主要结构。
2、扼要记述洛氏硬度计的使用方法及注意事项。
3、列出全套硬度数据（2组），将HRB 、HRC 的硬度值查表换算为HB 或HV 值，并预计两种材料热处理后的组织，填入表格。
五． 作业
1、将同一块经表面热处理（如氮化）的试样分别在普通洛氏硬度计和表面洛氏硬度计上测得的硬度值是否相等？哪一个是正确的？为什么？
2、若两个硬度压痕之间的距离很小时，所测得的硬度值会偏高还是偏低？为什么？
3、分析含碳量、淬火温度、冷却方式及回火温度对碳钢性能（硬度）的影响。根据数据画出它们同硬度的关系曲线，并阐明硬度变化的原因。
硬度测试表
A 组（15人，共20个样品）
热处理工艺
淬火
钢号
加热温度
保温时间
冷却方式
加热温度
回火 保温时间
冷却方式
硬度值（HRC ）
估计组织
序号
123
平均
总平均值并换算为HB 或HV
无
600℃
45
＃
30 min
水淬
40 min
空冷
400℃
40
min
空冷
200℃
40
min
空冷
A3
无
860℃
硬度测试表
B 组(14人，共20个样品) 钢号
加热温度
热处理工艺
淬火 保温时间
冷却方式
加热温度
回火 保温时间
冷却方式
序号
1
2
3
平均
硬度值（HRC ）
估计组织
总平均值并换算为HB 或HV
T8
760℃水
min 淬
无 600℃
40
min 空冷
400℃
40
min 空冷
200℃
40
min 空冷
A3 无
附录一 金属布氏硬度数值表
附录二 各种硬度（HB 、HR 、HV ）换算表