实验一： 钢的淬透性测定
实验学时：3
实验类型：综合性实验 实验要求：必修 一、实验目的
（一）掌握钢的淬透性的实验方法，重点末端淬火法。
（二）了解化学成分、奥氏体化温度及晶粒度对钢的淬透性的影响。
二、实验内容、实验原理、方法和手段
（一）淬透性的概念及其影响因素
在实际生产中，零件一般通过淬火得到马氏体，以提高机械性能。钢的淬透性是指钢经奥氏体化后在一定冷却条件下淬火时获得马氏体组织的能力。常用淬透性曲线、淬硬层深度或临界淬透直径来表示。淬透性与淬硬性不同，它是淬硬层深度的尺度而不是获得的最大的硬度值。它决定淬火后从表面到心部硬度分布的情况。一般规定“由钢的表面至内部马氏体占50％（其余的50％为珠光体类型组织）的组织处的距离”为淬硬层深度。淬硬层越深，就表明该钢的淬透性越好。如果淬硬层尝试达到心部，则表明该钢全部淬透。
影响淬透性的因素很多，最主要的是钢的化学成分，其次为奥氏体化温度、晶粒度等等。钢的淬透性与过冷奥氏体稳定性有密切的关系。当奥氏体向珠光体转变的速度越慢，也就是等温转变开始曲线越向右移，钢的淬透性越大，反之就越小，可见影响淬透性的因素与影响奥氏体等温转变的因素是相同的。
溶入奥氏体的大多数合金元素除Co以外，都增加过冷奥氏体的稳定性，使曲线右移，降低临界冷却速度，提高钢的淬透性。
钢中含碳量对临界冷却速度的影响为：亚共析钢随含碳量的增加，临界冷却速度降低，淬透性增加；过共析钢随含碳量的增加，临界冷却速度增高，淬透性下降。含碳量超过1.2％～1.3％时，淬透性明显降低。
（二）淬透性的测定方法
淬透性的测定可以大致分为计算法和实验法两类。目前使用的方法还是实验法，它主要是通过测定标准试样来评价钢的淬透性。具体的试验方法有多种，现将其中通常采用的四种方法概述如下。
1、断口检验法
根据GB227—63《炭素工具钢淬透性试验法》（低合金工具钢也可参照此标准）的规定，在退火钢棒截面中部截取2～3个试样，方形试样的横截面尺寸为20mm×20mm(±0.2)，圆形截面为φ22～33mm，长度为100±5mm，试样中间一侧开一个深度为3～5mm的V形槽，以利于淬火后打断观察断口。试样分别在760℃、800℃、840℃温度下加热15～20min，然后淬入10～30℃的水中。通过观察断口上淬硬表层（脆断区）深度，对照相应的评级标准图来评定淬透性等级（GB227—63规定分成0～5级）。
2、U曲线法
用长度为直径的4～6倍一组直径不同的试样，经奥氏体化后在一定的淬火介质（如水、盐水、油等）中冷却，然后沿试样中纵向剖开，磨平后自试样表面向内每隔1～2min距离测定一处硬度值，并将所测结果画成硬度分别曲线（图15-1）。淬透性的大小可用淬硬层深度h或DH／D来表示，D为试样直径，DH为未淬硬区域直径。用这种方法测量出来的数值依试样尺寸、淬火介质的冷却能力的不同而变化，因此应用较少，但此法比较直观。
图15-1 截面上的U形硬度
3、临界直径法
所谓“临界淬透直径”是指钢在一定介质中淬火时，中心能获得半马氏体组织的最大直径。用U曲线法做实验时，总可以找到在一定的淬火介质中冷却时心部恰好能够淬透（截面中心的硬度为半马氏体硬度，即组织恰好对应含50％马氏体组织）的临界直径，用D0表 示。但D0与淬火介质有关。为了排除冷却条件的影响，假定淬火介质的冷却强度值H为无穷大，试样淬火时其表面温度立即冷却到淬火介质的温度，此时所能淬透的最大直径称为理想临界直径（Di），显然Di仅取决于钢的成分，因此可用它作为判别不同钢种淬透性的依据。理想临界直径可以通过试验得出的半马氏体区厚度d在特定的曲线图中查出。依此还可以进一步求出该钢种在各种介质中的临界直径等。
4、末端淬火法
目前测定钢的淬透性最常用的方法是末端淬火（又称顶端淬火法，简称端淬法）。它简便而经济，又能较完整地提供钢的淬火硬化特性，克服了上述方法的缺点。广泛适
用于优质炭素钢、合金结构钢、弹簧钢、轴承钢及合金工具钢等的淬透性测量。我国GB235—63规定的试样形状尺寸及试验原理如图15-2所示。试验时将试样按规定的奥氏体化条件加热后（注意防止氧化脱碳）迅速取出放入试验装置。因试样的末端被喷水冷却，故水冷端冷得最快，越向上冷得越慢，头部的冷速相当于空冷，因此沿试样长度方向将荼得各种冷却条件下的组织和性能。冷却完毕后沿试样纵向两侧各磨去0.4mm，并自水冷端1.5mm处开始测定硬度，绘出硬度与至水冷端距离的关系曲线，即所谓端淬曲线（图15-3）。
图15-2 末端淬透性实验示意图
图15-3 端淬曲线
试样和冷却条件是规定的，所以试样各占的冷却速度也是固定的，这样端淬法就排除了试样的具体形状和冷却条件的影响，归结为冷却速度与淬火后硬度之间的关系。如果再对各点进行金相组织观察，那么借助于端淬曲线就可知道冷却速度，金相组织和硬度之间的关系。根据GB225—63规定，钢材的淬透性用J（HRC／d）表示，其中J表示端淬试验，d为距水冷端距离，HRC为在该处测定的硬度值。
四、实验组织运行要求
由实验指导教师现场组织和实施上述试验内容。
五、实验条件
（一）设备：箱式电阻炉；洛氏硬度计，端淬实验机。 （二）试样：T10、45、40Cr端淬试样一套；
六、实验步骤
在指导教师的安排下，学生逐个将试样置于箱式电阻炉进行加热，待加热保温完成后，将端淬试样置于端淬实验机进行端淬，然后测定硬度，计算钢的淬透性。
七、思考题
1、试述钢的淬透性的测定方法及意义； 2、钢的成分不同对淬透性有哪些影响？
八、实验报告
按实验报告的标准格式及所要求的内容完成。
实验二：扫描电子显微镜结构与样品分析
实验学时：5 实验类型：演示性实验 实验要求：必修 一、实验目的
（一）了解扫描电镜的结构；
（二）通过实际分析，明确扫描电镜的用途。
二、实验内容、实验原理、方法和手段
（一）扫描电子显微镜结构与工作原理简介
扫描电镜的主要构造分五部分：电子光学系统，扫描系统，信号接收、放大与显示系统，试样微动及更换系统，真空系统。图20-1是扫描电镜主机构造示意图。实验时将根据实际设备具体介绍。
（a）
（b）
图20-1 扫描电镜主机构造示意图
（二）样品观察与分析 1、二次电子像
二次电子像常用来做断口及高倍组织观察。图是沿晶和穿晶断口形态。待观察断口要保 持新鲜，不可用手或棉纱擦拭断口。如果要长期保存，可在断口表面贴一层AC纸。在观察时将试样放在丙酮中使AC纸充分溶解掉。图20-2是结晶组织的二次电子像。
2、背散射电子像和吸收电子像
扫描电镜接收背散射电子像的方法是将背散射电子检测器送入镜筒中，将信号选择开关转到R·E位置接通背散射电子像的前置放大器。图实是他Al2Cu相的背散射电子像。在背散射电子像中，A12Cu相的平均原子序数高于基体Al，所以A12Cu相有明显的亮度和浮凸效果。由于背散射电子像信号弱，所以在观察时要加大束流，采用慢速扫描。
当断开样品台接地线，接通吸收电子附件，将信号选择开关转到A·E位置时，将进行吸收电子像观察。图20-3是A12Cu相的吸收电子像。其衬度与背散射电子像相反。
图20-3 4Cr5MoVSi钢结晶组织及A12Cu相背散射电子像
3、选择典型的金属塑性断口、脆性断口、疲劳断口等，在扫描电镜上摄取二次电子像（分8组，每组6人），每组同学所得到的断口形貌像不同。
4、金相表 图20-4腐蚀之后金相
（a）
（b）
图20-4 金相表面的二次电子像 （a）珠光体组织（b）析出碳化物
面观察 为经抛光样品的二
次电子像，可以看出其分辨率及立体感均远好于光学金相照片。光学金相上显示不清的细节在这里可以清晰地显示出来，如珠光体中的Fe3C与铁素体的层片状形态及回火组织中析出的细小碳化物等。
三、实验组织运行要求
由教师讲解扫描电子显微镜基本结构和工作原理，学生应了解扫描电镜的基本结构和工作原理及测定方法。
四、实验报告
按实验报告的标准格式及所要求的内容完成。
实验三：金属拉伸、压缩屈服性能的测定
实验学时：4
实验类型：综合性实验 实验要求：必修 一、实验目的
（一）掌握金属材料拉伸、压缩屈服性能的测定方法和压力传感器的标定。 （二）比较相同金属材料拉伸、压缩状态下屈服性能的差异。
（三）了解表面摩擦对金属材料屈服性能的影响，以及多次加载、卸载对抗力、硬化的
影响。
（四）学会绘制应力-应变曲线。
二、实验内容
（一）熟悉材力机的操作规程。 （二）压力传感器的标定。 （三）压缩屈服性能的测定。 （四）拉伸屈服性能的测定。
三、实验原理、方法和手段
金属材料拉伸、压缩试验是金属材料力学性能测试中最重要的方法之一。即对一定
形状的试样施加轴向上的力，拉伸或压缩，便可测出表征金属材料的物理屈服性能指标：屈服点σs、上屈服点σsU、下屈服点σsL；规定微量塑性伸长应力指标：规定非比例伸长应力σp、规定总伸长应力σt、规定残余伸长应力σr；强度性能指标：抗拉强度σb；塑性性能指标：断后伸长率δ、屈服点伸长应力δs、最大力下的总伸长δgt、最大力下的非比例伸长率δg、断面收缩率φ，从而得到自开始加载到试样破坏的全过种的应力—应变曲线。这条曲线的形状表征着材料的力学行为。不同的材料，应力—应变曲线各不相同（见图22-1、图22-2），甚至有很大差异。
图22-1 不同材料拉伸时的应力-应变曲线
a）铸铁 b）低碳钢 c）橡胶
四、实验条件
（一）液压万能材料试验机。 （二）压力传感器。 （三）毫伏表 （四）电源。 （五）刻点机。 （六）引伸计。
（七）测试材料：圆钢、铅棒、铜棒。
（八）使用工具：钢锯、游标卡尺、钢板尺、万用表。
五、实验步骤
（一）用万用表检查压力传感器的性能。
（二）将压力传感器、毫伏表、电源连接好后，装到万能材力试验机上。 （三）打开材力试验机总开关。
（四）根据压力传感器的额定负荷，选择测量范围，在摆杆上挂上或取下相应的摆砣，并调整缓冲手柄，对准标线。
（五）开动油泵，调整指针对准度盘零点。
（六）在描绘器的转筒上，卷压好记录纸，选择好放大倍数。 （七）将推杆上的描绘笔放下，进入描绘准备状态。
（八）缓慢开启送油阀，给传感器加额定容量的110％负荷三次，以减小滞后影响。 （九）正式标定开始：将传感器加额定容量分成若干梯度，按此容量梯度分级逐级加载和卸载，记录此加、卸载的数据，重复二次。并记录于表22-1中。
（十）压缩屈服性能的测定：取已锯好的测试材料，两端磨平，用卡尺测量试件的原始直径D0和高度H0。
表22-1 加、卸载荷数据记录
（11）标定后的压力传感器不动，将试件放置在传感器的中央，依照上面操作程序进行。 （12）当压下量Δh＝1时，测量压缩后试件的高度、压力P，填入表22-2中。 （13）观察压缩变形形象，绘制应力σ-应变ε曲线。
（14）拉伸屈服性能的测定：用卡尺测量试件的横截面尺寸S0，标出试样标距长度L0。
（L0＝KS0 K＝5.65或11.3）
（15）试件标距离围内均分10等份，打上标点。
（16）将试件正确地卡到材力机上，按照上面操作程序进行拉伸试验：
（1）测定非比例伸长应力σp 0。2（逐级施力法）。把试件施加约相当于预期规定非比例伸长应力10％。
表22-2 压缩试件数据记录
预期试验力F0，将引伸计装卡在试件上，调节好引伸什的零点（表22-3）。然后对试样采用逐级加载相同的量，测出规定非比例伸长力Fp。从引伸计上读出每一级施力条件下试样的伸长量。到所测的非比例伸长等于或微大于所规定值，取下引伸计（用内插法求出Fp值，计算σP＝Fp/S0）。将试样拉断，记录Fb。
（2）测定规定残余伸长应力σr 0。1（逐级卸力法）。测定规定残余伸长应力是用引伸计采用卸力法来进行的。把试件施加约为预期规定残余伸长应力的10％预试验力F0，然后上
表22-3 用逐级施力法测定实验记录表
好引伸计，继续加力到2 F0，再卸到F0。调节引伸计记下条件零点（表22-4）。用卸力法测定规定残余伸长力Fr。从引伸计上读出首次施力条件下试样产生的残余伸长量。以后每次加力产生的总伸长量，等于前一次总伸长量加上规定残余伸长量，减去已产生的残余伸长量的差，再加上1～2分格的弹性增量。保证在较少的加、卸力次数下测得结果。当实测的残余伸长量等于或稍大于规定值为止，取下引伸计（用内插法求出Fr值，计算σr＝Fr/S0）。将试样拉断，记录Fb。
表22-4 用卸力法测定试验记录表
（3）把拉断后的试样对好，测量标距L1，缩颈处最小直径d1，分别计算伸长率δ，断面率φ。
六、实验报告
按实验报告的标准格式及所要求的内容完成。
实验四：材料硬度测定
实验学时：4
实验类型：综合性实验
实验要求：必修
一、实验目的
（一）了解不同种类硬度测定的基本原理及应用范围；
（二）了解布氏、洛氏、维氏硬度实验的操作方法及设备特点；
（三）学会使用布氏、洛氏、维氏硬度计。
二、实验内容、实验原理、方法和手段
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。另外，硬度与其他机械性能（如强度指标ζb及塑性指标δ和φ）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寿命具有决定性意义。
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表征其他有关的力学性能。
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；
K——系数；
HB——布氏硬度。
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。
（一）布氏硬度
布氏硬度试验是施加一定大小写的载荷P，将直径为D的钢球压入被测金属表面（如图23-1所示）保持一定时间，然后卸除栽荷，根据钢球在金属表面上所奔出的凹痕面积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；
P——施加外力，N；
F凹——压痕面积，mm2.
根据压良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，故可将式中的h改换成d来表示，这样可以根据几何关系求出：
(D/2)-h=[(D/2)2-(d/2)2]1/2
H=[D-(D2-d2)1/2]/2
得：
HB=
P= F当试验力是P的单位是N
时
0.102PHB==F
式中的d是变数，故只需测出压痕直径d，根据已知D和P值就可以计算出HB值。在实际测量时，可由压痕直径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，若只采用同一种栽荷（如29400N）和同一个钢球直径（如D＝10mm）时，则对有些试样合适，而对另一些试样可能不合适，会发生整个钢球陷入金属中的现象；若对于厚的试样合适，则对于薄的试样可能会出现压透的可能。所以在测定不同的材料布氏硬度值时要求有不同载荷P和不同直径D的钢球。为了得到统一的、可以进行相互比较的数值，必须使D和P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23-1中可知d和φ的关系是：
以此代入得： Dφdsin=222 d = D sin φ 2
HB=
P2D
上式说明，当φ值为常数时，为使HB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，所得到的HB值是一样的。对不同的材料来说，得到的HB值也可以进行比较。按照国标GB231—88的规定，P／D2比值有30、10和2.5三种。
图23-1 布氏硬度的原理说明
试样的表面应呈光滑平面，无氧化皮、无油污，在加工制作过程中不应因受热或加工硬化而改变其硬度。
试样厚度不应小于压痕深度的10倍。
压痕中心距试样边缘的距离不小于压痕直径的2.5倍，而距相邻压痕中心的距离不小于压痕直径的4倍。
对试样进行加载之后，卸去载荷，取下试样，用读数显微镜测量压痕直径，精确到小数点后两位数的毫米值。
实验后压痕直径大小应在下列范围之内：
0.25D
如不符合上述条件时，认为试验结果无效。此时应选择相应的负荷重新试验。试验后试样边缘与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。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％。
目前布氏硬度的表示仍然用kg/mm2为单位，主要考虑到硬度值与过去的数据进行比较时的方便。
（二）洛氏硬度
洛氏硬度试验常用的压头为圆锥角α＝120o、顶部曲率半径为了。2mm的金刚石圆锥体或直径D＝1.588mm的淬火钢球。试验时（图23-2），先对试样施加初试验力F0，在金属表面得一压痕深度h0，以些作为测量压痕的基线。随后再加上主试验力F1，此时压痕深度的增量为h1。金属在F1作用下产生的总变形h1中包括弹性变形和塑性变形。当将F0卸除后，总变形中的弹性变形恢复，使压头回升一段距离。于是得到金属在F0
作用下的残余压痕深
度h（将此压痕深度h表示成e其值以0.002mm为单位表示）。E值愈大表明金属洛氏硬度愈低；反之，则表明硬度愈高。为了照顾习惯上数值愈大硬度愈高的概念，故用一个常数k减去e来表示洛氏硬度值，并以符号HR表示，即
HR＝k－e
当使用金刚石圆锥体压头时，常数k定为100；当使用淬火钢球压头时，常数k为130。
实际测定洛氏硬度时，由于在硬度计的压头上方装有百分表，可直接测出压痕深度，并换算出相应的硬度值。因此，在试验过程中金属的洛氏硬度值可直接读出。为了测定软硬不同的洛氏硬度标尺。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。
由于洛氏硬度试验力比较大，不宜用于测定极薄的工件及渗层或镀层的硬度。为此，人们应用洛氏硬度试验原理，减小试验力，设计出一种表面洛氏硬度计试验的残余压痕深度增量e以0.001mm为单位表示。
无论用洛氏硬度或表面洛氏硬度所测定的硬度值都写在洛氏硬度符号之后，如：HRC61.5、HRB90、HR15N85、HR30T75等。
（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维氏硬度值。所不同的是维氏硬度用的压头不是球体而是两对而夹角a＝136o的金刚石四棱锥体。压头在试验力F（单位是kgf或N）作用下，将试样表面压一个四棱锥形压痕，经规定时间体质载荷之后，卸除试验力，用读数显微镜测出压痕对角线平均长度d
d=[(d1+d2)/2]
式中d1和d2分别是两个不同方向的对角线长度，用以计算压痕的表面积。所以维氏硬度值（HV）就是试验力P除以压痕表面积F所得的商。当试验力P为kgf(9.8N)时计算公式如下：
图23-2 洛氏硬度试验原理 P2Psin(136o/2)PHV===1.8544Fd2d2
当试验力P为N时计算公式如下：
0.102P0.204Psin(136o/2)PHV===0.1891Fd2d2
与布氏硬度一样，维氏硬度值也不标注单位。维氏硬度值的表示方法是：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都不标）。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）～
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±2s。
（四）金属显微硬度试验法
金属显微硬度试验原理与宏观维氏硬度试验法完全相同。只不过所用试验力比小负荷试验力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到几十微米。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试验法完全相同。金属显微硬度试验的试验力，分为0.01（98×10-3）、0.02（1.96）、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。
（五）硬度试验方法的正确选用
根据试样的材料、工艺状态及几何尺寸等特点，选用一种合适的硬度试验方法，这是进行硬度试验时首先应认真考虑的问题。可以从以下几个方面进行考虑，供选择时参考。
1、布氏、洛氏、维氏硬度试验方法都可以测定软硬不同及厚薄不一的试样的硬度，但其所测定硬度值应在该方法允许的范围之内。例如，布氏硬度试验用钢球做压头时，所测材料的布氏硬度应小于450HBS，若用硬质合金球做压头时则可测得650HBW以下材料的硬度。又如，用洛氏硬度C标尺所测得硬度范围应在HRC20～67之间，若材料硬度小于HRC20，则应选用B标尺，若大于HRC67，则应选用A标尺。
2、尽管选用常用的各种硬度试验方法都可以对软硬不同、厚薄不一的试样测定硬度，但在实际生产和科研中，根据人们的经验及已经积累大量硬度试验数据来看，对上述几种硬度试验方法的选用还是有所侧重的。例如，对于各种铸铁、热轧和正火钢材、各种有色金属及其合金、轴承合金等硬度较低或金相组织较为粗大的材料常用布氏硬度；对于淬火后进行
不同温度回火的试样，各种工、模具及渗层厚度大于0.5mm的渗碳层等较硬的材料，常采用洛氏硬度C标尺法；对于硬质合金等很硬材料常采用洛氏硬度A标尺法；当零件和工模具渗层厚度较浅时可选用小负荷或显微硬度试验法。对于极薄的试样或合金中某相组成的硬度，只有采用显微硬度试验法。
3、对于同一种材料由于处理条件不同，其硬度差异较大，为了得到可比的结果，可采用维氏硬度法测定。
4、在试验和研究工作中，如若要将试验数据与查得的资料中的硬度值进行对比，应尽可能采用与资料上相同的试验方法进行试验，以免硬度换算引入误差。
5、生产上对产品进行大量检验时，常用洛氏硬度法，以提高检验效率。
（六）硬度试验所用试样的要求
1、试样表面应制成平整、光滑，不应有氧化皮和污物。为了能精确测定压痕对角线的尺寸，对试验的表面粗糙度有一定要求：布氏硬度试验的试样不在大于Ra0.8μm；维氏硬度试验表面粗糙度不大于Ra0.4μm；显微硬度试验的试样则不大于Ra0.2μm，一般应按金相试样要求制备。
2、试样制备过程中应尽量避免由于冷热加工而影响表面硬度。
三、实验条件
（一）硬度计。布氏、洛氏、维氏及显微硬度计各一台或若干台。
（二）读数显微镜。最小分度值为0.01mm，两台。
（三）标准硬度块。不同硬度试验方法的标准二等硬度块各一套。
四、实验步骤
（一）了解各种硬度计的构造、原理、使用方法、操作规程和安全注意事项。
（二）对各种试样选择合适的试验方法和仪器，确定实验条件。根据实验和试样条件选择压
头、载荷（砝码），根据试样形状更换试验台。
（三）用标准硬度块校验硬度计。校验的硬度值不应超过标准硬度块硬度值的±3％（布氏）或±（1％～1.5％）（洛氏）。
（四）试样支撑面、工作台和压头表面应清洁。试样平稳地放在工作台上，保证试验加载过程中不发生移动和翘曲，试验力平稳地加在试样上，不得造成冲击和震动，施力方向与试样表面垂直。保持载荷规定的时间（对布氏、维氏硬度，卸去载荷后用计数显微镜测量压痕尺寸，计算或查表），卸去载荷准确地记录试验数据。
五、实验报告
按实验报告的标准格式及所要求的内容完成。
实验五：材料冲击性能实验及低温韧性
实验学时：4
实验类型：综合性实验
实验要求：必修
一、实验目的
（一）掌握常温及低温下金属的冲击试验方法。
（二）学会用断口分析方法判断金属韧脆转化温度Tc的方法。
（三）了解冲击试验机的构造、使用和冲击试样的要求。
二、实验内容、实验原理、方法和手段
结构材料在静的载荷下发生破坏，没有在动载荷或冲击载荷下发生破坏那么常见。金属材料的冲击试验是测定在动载荷条件下金属材料的破断属性的试验方法。通常所说的冲击试验指一次冲击试验，试验是在苛刻的受力状态下进行的：
（1）加载速度非常高，因而有冲击的特点。
（2）多数情况下试样开有缺口，缺口周围的高的应力集中及硬的应力状态，妨碍材料的塑性流变。
（3）有时候还在低温进行冲击试验，低温提高了材料的变形抗力。
冲击试验时的材料特性在硬度试验、拉伸试验等准静态试验中不一定能够反映出来。上曾经尝试过拉伸冲击、扭转冲击、弯曲冲击等多种加载方式的试验方法，最后得到广泛应用的是弯曲冲击试验方法。它的试验机结构简单、操作方便，并且能够表现材料内部较微小的材质变化。
目前进行冲击试验普遍采用栋梁式弯曲加载方法。它的试样形式因材料而异。脆性材料如铸铁、粉末冶金材料、高速工具钢、轴承钢等使用无缺口试样，以黑色金属为主的结构材料的试样多采用V形缺口的外形尺寸为10mm×10mm×50mm的试样。V形缺口的缺口根部半径小，有强烈的缺口应力集中效应，对材料的微小变化反应敏感，更适合结构钢脆性行为的检验。然而这种试样的加工要求严格，缺口的尺寸稍有变化就会影响试验结果。试验的原理是用摆锤将固定靠放在稳定支架上的试样一次冲断。摆锤拥有的能量足以把试样一次折断，利用摆锤冲断试样后回升到高度与原来提升高度之差计算出试样破坏期间吸收的能量。
冲击功是摆锤冲断试样后回升角度余弦的函数
Ak=W-PH= W-PL(1-cosa)
式中 Ak——冲断试样所消耗的功，J；
W——摆锤释放前拥有的势能，J；
P——摆锤重力，N；
L——摆锤至摆锤旋转中心的距离，m；
α——冲断试样后摆锤回升的角度，（o）。
四、实验条件
（一）试验机
摆锤式冲击试验机的容量有300J、150J、100J和50J几种。应当事先估计材料的断裂能量大小选择试验机的容量。本试验采用JBD-300B低温冲击试验机设备主要参数如下：
摆锤冲击能量 300J和150J（两个摆锤互换互换） 摆锤力矩 100.7965N•m和80.3848N•m 摆锤预仰角 150 o
摆锤旋转中心至冲击点（试样中心）的距离 750mm
冲击速度 5.2m/s
试样支座跨距今 40mm
试样支座端部圆弧半径 1～15mm
支座支撑面倾角落 0 o
冲击刀夹角 30 o
冲击刀厚度 16mm
冲击温度范围 常温～-60℃
均温区范围 30×60mm
送料速度 ≤1.5s
温度梯度 2℃
温度波动 ±1.5℃
低温装置：低温装置采用半导体制冷器制冷。制冷的温度范围是0～-60℃。是利用半导体材料的温度电效应来实现制冷的。其主要结构由：外壳、送样槽、三极半导体制冷器、冷室、试样盒、出样槽、感温探头等组成。
试验之前应进行下列例行检查：
（1）试样的支座跨距要符合40＋0.5mm距离，坚固不动，摆锤的刀口处于支座的中央。
（2）摆锤空载运动时指针应指零位（摆锤自由下垂时，使指针紧靠拨针并对准最大冲击能量处，然后举起摆锤空打，指针应指零位）。
（3）机器上各种电器和机械部分动作正常。
（4）献宝常温试验的温度是20±5℃。
（5）低温冲击试验时一定要先通冷却水，进行循环冷却（试验结束后继续通水30min之后才可以停水）。
（二）试验方法
注意：摆锤抬起及摆过程中可能发生危险，要特别注意安全；冲击打飞的试样也可能打伤人，必须充分注意。
试样按规定的要求，切口对准支座的中心，并朝向被打出的方向。当进行系列温度试验时将试样按一定的规则排列编号，并且注意记住冲击试样的编号和对应的位置，按顺序依次进行冲击试验。
在进行低温冲击试验时，检查制冷装置的循环水是否畅通，将制冷电源打开，将试样装入试样盒，放入试验机的冷却槽内进行冷却。试验从低温开始做起，当达到要求的最低温度时，保持5min使其温度均匀，开动试验机进行系列冲击试验。
每次冲击试验之后立即刹车，停止摆锤运动，记录下冲击吸收功Ak的试验数据，将指针重新摆放在起始位置，再进行下一个试验。
试验材料和试样
根据国家标准GB229—84和GB2106—80的规定，冲击试验可使用夏比U形缺口（其冲击功表示为AKU）和夏比V形缺口（其冲击功表示为AKV）试样。试样外形尺寸均为非作10mm×10mm×55mm，缺口深度为2mm，其尺寸要求及表面粗糙度要求如图24-1所示。无论U形缺口还是V形缺口，当坯料尺寸无法满足10mm×10mm×55mm要求时，可加工成7.5mm×10mm×55mm或5mm×10mm×55mm小尺寸的辅助试样，此时缺口应开在试样的窄面上。
对一些脆性材料，如是工具钢、铸造在色金属、灰铸铁、可锻铸铁等金属材料及其制品，一般不作冲击试验，所以在上述两个国家标准中取消了不带缺口的10mm×10mm×55mm非标准冲击试样。对硬质合金和球墨铸铁等脆性材料可按有关标准进行冲击试验。
由于冲击试样的尺寸及缺口形状对冲击试验的数据影响非常大，所以不同形式试样的冲击韧性之间不能相互对比，也不能互换。在冲击试验报告中必须注明试样形状及尺寸。试
样的加工精度必须满足上述两个国家标准的要求。检查试样尺寸所用的量具精度应不低于图24-1 夏比V形缺口冲击试样
0.02mm。
五、实验报告
按实验报告的标准格式及所要求的内容完成。
实验一： 钢的淬透性测定
实验学时：3
实验类型：综合性实验 实验要求：必修 一、实验目的
（一）掌握钢的淬透性的实验方法，重点末端淬火法。
（二）了解化学成分、奥氏体化温度及晶粒度对钢的淬透性的影响。
二、实验内容、实验原理、方法和手段
（一）淬透性的概念及其影响因素
在实际生产中，零件一般通过淬火得到马氏体，以提高机械性能。钢的淬透性是指钢经奥氏体化后在一定冷却条件下淬火时获得马氏体组织的能力。常用淬透性曲线、淬硬层深度或临界淬透直径来表示。淬透性与淬硬性不同，它是淬硬层深度的尺度而不是获得的最大的硬度值。它决定淬火后从表面到心部硬度分布的情况。一般规定“由钢的表面至内部马氏体占50％（其余的50％为珠光体类型组织）的组织处的距离”为淬硬层深度。淬硬层越深，就表明该钢的淬透性越好。如果淬硬层尝试达到心部，则表明该钢全部淬透。
影响淬透性的因素很多，最主要的是钢的化学成分，其次为奥氏体化温度、晶粒度等等。钢的淬透性与过冷奥氏体稳定性有密切的关系。当奥氏体向珠光体转变的速度越慢，也就是等温转变开始曲线越向右移，钢的淬透性越大，反之就越小，可见影响淬透性的因素与影响奥氏体等温转变的因素是相同的。
溶入奥氏体的大多数合金元素除Co以外，都增加过冷奥氏体的稳定性，使曲线右移，降低临界冷却速度，提高钢的淬透性。
钢中含碳量对临界冷却速度的影响为：亚共析钢随含碳量的增加，临界冷却速度降低，淬透性增加；过共析钢随含碳量的增加，临界冷却速度增高，淬透性下降。含碳量超过1.2％～1.3％时，淬透性明显降低。
（二）淬透性的测定方法
淬透性的测定可以大致分为计算法和实验法两类。目前使用的方法还是实验法，它主要是通过测定标准试样来评价钢的淬透性。具体的试验方法有多种，现将其中通常采用的四种方法概述如下。
1、断口检验法
根据GB227—63《炭素工具钢淬透性试验法》（低合金工具钢也可参照此标准）的规定，在退火钢棒截面中部截取2～3个试样，方形试样的横截面尺寸为20mm×20mm(±0.2)，圆形截面为φ22～33mm，长度为100±5mm，试样中间一侧开一个深度为3～5mm的V形槽，以利于淬火后打断观察断口。试样分别在760℃、800℃、840℃温度下加热15～20min，然后淬入10～30℃的水中。通过观察断口上淬硬表层（脆断区）深度，对照相应的评级标准图来评定淬透性等级（GB227—63规定分成0～5级）。
2、U曲线法
用长度为直径的4～6倍一组直径不同的试样，经奥氏体化后在一定的淬火介质（如水、盐水、油等）中冷却，然后沿试样中纵向剖开，磨平后自试样表面向内每隔1～2min距离测定一处硬度值，并将所测结果画成硬度分别曲线（图15-1）。淬透性的大小可用淬硬层深度h或DH／D来表示，D为试样直径，DH为未淬硬区域直径。用这种方法测量出来的数值依试样尺寸、淬火介质的冷却能力的不同而变化，因此应用较少，但此法比较直观。
图15-1 截面上的U形硬度
3、临界直径法
所谓“临界淬透直径”是指钢在一定介质中淬火时，中心能获得半马氏体组织的最大直径。用U曲线法做实验时，总可以找到在一定的淬火介质中冷却时心部恰好能够淬透（截面中心的硬度为半马氏体硬度，即组织恰好对应含50％马氏体组织）的临界直径，用D0表 示。但D0与淬火介质有关。为了排除冷却条件的影响，假定淬火介质的冷却强度值H为无穷大，试样淬火时其表面温度立即冷却到淬火介质的温度，此时所能淬透的最大直径称为理想临界直径（Di），显然Di仅取决于钢的成分，因此可用它作为判别不同钢种淬透性的依据。理想临界直径可以通过试验得出的半马氏体区厚度d在特定的曲线图中查出。依此还可以进一步求出该钢种在各种介质中的临界直径等。
4、末端淬火法
目前测定钢的淬透性最常用的方法是末端淬火（又称顶端淬火法，简称端淬法）。它简便而经济，又能较完整地提供钢的淬火硬化特性，克服了上述方法的缺点。广泛适
用于优质炭素钢、合金结构钢、弹簧钢、轴承钢及合金工具钢等的淬透性测量。我国GB235—63规定的试样形状尺寸及试验原理如图15-2所示。试验时将试样按规定的奥氏体化条件加热后（注意防止氧化脱碳）迅速取出放入试验装置。因试样的末端被喷水冷却，故水冷端冷得最快，越向上冷得越慢，头部的冷速相当于空冷，因此沿试样长度方向将荼得各种冷却条件下的组织和性能。冷却完毕后沿试样纵向两侧各磨去0.4mm，并自水冷端1.5mm处开始测定硬度，绘出硬度与至水冷端距离的关系曲线，即所谓端淬曲线（图15-3）。
图15-2 末端淬透性实验示意图
图15-3 端淬曲线
试样和冷却条件是规定的，所以试样各占的冷却速度也是固定的，这样端淬法就排除了试样的具体形状和冷却条件的影响，归结为冷却速度与淬火后硬度之间的关系。如果再对各点进行金相组织观察，那么借助于端淬曲线就可知道冷却速度，金相组织和硬度之间的关系。根据GB225—63规定，钢材的淬透性用J（HRC／d）表示，其中J表示端淬试验，d为距水冷端距离，HRC为在该处测定的硬度值。
四、实验组织运行要求
由实验指导教师现场组织和实施上述试验内容。
五、实验条件
（一）设备：箱式电阻炉；洛氏硬度计，端淬实验机。 （二）试样：T10、45、40Cr端淬试样一套；
六、实验步骤
在指导教师的安排下，学生逐个将试样置于箱式电阻炉进行加热，待加热保温完成后，将端淬试样置于端淬实验机进行端淬，然后测定硬度，计算钢的淬透性。
七、思考题
1、试述钢的淬透性的测定方法及意义； 2、钢的成分不同对淬透性有哪些影响？
八、实验报告
按实验报告的标准格式及所要求的内容完成。
实验二：扫描电子显微镜结构与样品分析
实验学时：5 实验类型：演示性实验 实验要求：必修 一、实验目的
（一）了解扫描电镜的结构；
（二）通过实际分析，明确扫描电镜的用途。
二、实验内容、实验原理、方法和手段
（一）扫描电子显微镜结构与工作原理简介
扫描电镜的主要构造分五部分：电子光学系统，扫描系统，信号接收、放大与显示系统，试样微动及更换系统，真空系统。图20-1是扫描电镜主机构造示意图。实验时将根据实际设备具体介绍。
（a）
（b）
图20-1 扫描电镜主机构造示意图
（二）样品观察与分析 1、二次电子像
二次电子像常用来做断口及高倍组织观察。图是沿晶和穿晶断口形态。待观察断口要保 持新鲜，不可用手或棉纱擦拭断口。如果要长期保存，可在断口表面贴一层AC纸。在观察时将试样放在丙酮中使AC纸充分溶解掉。图20-2是结晶组织的二次电子像。
2、背散射电子像和吸收电子像
扫描电镜接收背散射电子像的方法是将背散射电子检测器送入镜筒中，将信号选择开关转到R·E位置接通背散射电子像的前置放大器。图实是他Al2Cu相的背散射电子像。在背散射电子像中，A12Cu相的平均原子序数高于基体Al，所以A12Cu相有明显的亮度和浮凸效果。由于背散射电子像信号弱，所以在观察时要加大束流，采用慢速扫描。
当断开样品台接地线，接通吸收电子附件，将信号选择开关转到A·E位置时，将进行吸收电子像观察。图20-3是A12Cu相的吸收电子像。其衬度与背散射电子像相反。
图20-3 4Cr5MoVSi钢结晶组织及A12Cu相背散射电子像
3、选择典型的金属塑性断口、脆性断口、疲劳断口等，在扫描电镜上摄取二次电子像（分8组，每组6人），每组同学所得到的断口形貌像不同。
4、金相表 图20-4腐蚀之后金相
（a）
（b）
图20-4 金相表面的二次电子像 （a）珠光体组织（b）析出碳化物
面观察 为经抛光样品的二
次电子像，可以看出其分辨率及立体感均远好于光学金相照片。光学金相上显示不清的细节在这里可以清晰地显示出来，如珠光体中的Fe3C与铁素体的层片状形态及回火组织中析出的细小碳化物等。
三、实验组织运行要求
由教师讲解扫描电子显微镜基本结构和工作原理，学生应了解扫描电镜的基本结构和工作原理及测定方法。
四、实验报告
按实验报告的标准格式及所要求的内容完成。
实验三：金属拉伸、压缩屈服性能的测定
实验学时：4
实验类型：综合性实验 实验要求：必修 一、实验目的
（一）掌握金属材料拉伸、压缩屈服性能的测定方法和压力传感器的标定。 （二）比较相同金属材料拉伸、压缩状态下屈服性能的差异。
（三）了解表面摩擦对金属材料屈服性能的影响，以及多次加载、卸载对抗力、硬化的
影响。
（四）学会绘制应力-应变曲线。
二、实验内容
（一）熟悉材力机的操作规程。 （二）压力传感器的标定。 （三）压缩屈服性能的测定。 （四）拉伸屈服性能的测定。
三、实验原理、方法和手段
金属材料拉伸、压缩试验是金属材料力学性能测试中最重要的方法之一。即对一定
形状的试样施加轴向上的力，拉伸或压缩，便可测出表征金属材料的物理屈服性能指标：屈服点σs、上屈服点σsU、下屈服点σsL；规定微量塑性伸长应力指标：规定非比例伸长应力σp、规定总伸长应力σt、规定残余伸长应力σr；强度性能指标：抗拉强度σb；塑性性能指标：断后伸长率δ、屈服点伸长应力δs、最大力下的总伸长δgt、最大力下的非比例伸长率δg、断面收缩率φ，从而得到自开始加载到试样破坏的全过种的应力—应变曲线。这条曲线的形状表征着材料的力学行为。不同的材料，应力—应变曲线各不相同（见图22-1、图22-2），甚至有很大差异。
图22-1 不同材料拉伸时的应力-应变曲线
a）铸铁 b）低碳钢 c）橡胶
四、实验条件
（一）液压万能材料试验机。 （二）压力传感器。 （三）毫伏表 （四）电源。 （五）刻点机。 （六）引伸计。
（七）测试材料：圆钢、铅棒、铜棒。
（八）使用工具：钢锯、游标卡尺、钢板尺、万用表。
五、实验步骤
（一）用万用表检查压力传感器的性能。
（二）将压力传感器、毫伏表、电源连接好后，装到万能材力试验机上。 （三）打开材力试验机总开关。
（四）根据压力传感器的额定负荷，选择测量范围，在摆杆上挂上或取下相应的摆砣，并调整缓冲手柄，对准标线。
（五）开动油泵，调整指针对准度盘零点。
（六）在描绘器的转筒上，卷压好记录纸，选择好放大倍数。 （七）将推杆上的描绘笔放下，进入描绘准备状态。
（八）缓慢开启送油阀，给传感器加额定容量的110％负荷三次，以减小滞后影响。 （九）正式标定开始：将传感器加额定容量分成若干梯度，按此容量梯度分级逐级加载和卸载，记录此加、卸载的数据，重复二次。并记录于表22-1中。
（十）压缩屈服性能的测定：取已锯好的测试材料，两端磨平，用卡尺测量试件的原始直径D0和高度H0。
表22-1 加、卸载荷数据记录
（11）标定后的压力传感器不动，将试件放置在传感器的中央，依照上面操作程序进行。 （12）当压下量Δh＝1时，测量压缩后试件的高度、压力P，填入表22-2中。 （13）观察压缩变形形象，绘制应力σ-应变ε曲线。
（14）拉伸屈服性能的测定：用卡尺测量试件的横截面尺寸S0，标出试样标距长度L0。
（L0＝KS0 K＝5.65或11.3）
（15）试件标距离围内均分10等份，打上标点。
（16）将试件正确地卡到材力机上，按照上面操作程序进行拉伸试验：
（1）测定非比例伸长应力σp 0。2（逐级施力法）。把试件施加约相当于预期规定非比例伸长应力10％。
表22-2 压缩试件数据记录
预期试验力F0，将引伸计装卡在试件上，调节好引伸什的零点（表22-3）。然后对试样采用逐级加载相同的量，测出规定非比例伸长力Fp。从引伸计上读出每一级施力条件下试样的伸长量。到所测的非比例伸长等于或微大于所规定值，取下引伸计（用内插法求出Fp值，计算σP＝Fp/S0）。将试样拉断，记录Fb。
（2）测定规定残余伸长应力σr 0。1（逐级卸力法）。测定规定残余伸长应力是用引伸计采用卸力法来进行的。把试件施加约为预期规定残余伸长应力的10％预试验力F0，然后上
表22-3 用逐级施力法测定实验记录表
好引伸计，继续加力到2 F0，再卸到F0。调节引伸计记下条件零点（表22-4）。用卸力法测定规定残余伸长力Fr。从引伸计上读出首次施力条件下试样产生的残余伸长量。以后每次加力产生的总伸长量，等于前一次总伸长量加上规定残余伸长量，减去已产生的残余伸长量的差，再加上1～2分格的弹性增量。保证在较少的加、卸力次数下测得结果。当实测的残余伸长量等于或稍大于规定值为止，取下引伸计（用内插法求出Fr值，计算σr＝Fr/S0）。将试样拉断，记录Fb。
表22-4 用卸力法测定试验记录表
（3）把拉断后的试样对好，测量标距L1，缩颈处最小直径d1，分别计算伸长率δ，断面率φ。
六、实验报告
按实验报告的标准格式及所要求的内容完成。
实验四：材料硬度测定
实验学时：4
实验类型：综合性实验
实验要求：必修
一、实验目的
（一）了解不同种类硬度测定的基本原理及应用范围；
（二）了解布氏、洛氏、维氏硬度实验的操作方法及设备特点；
（三）学会使用布氏、洛氏、维氏硬度计。
二、实验内容、实验原理、方法和手段
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。另外，硬度与其他机械性能（如强度指标ζb及塑性指标δ和φ）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寿命具有决定性意义。
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表征其他有关的力学性能。
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；
K——系数；
HB——布氏硬度。
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。
（一）布氏硬度
布氏硬度试验是施加一定大小写的载荷P，将直径为D的钢球压入被测金属表面（如图23-1所示）保持一定时间，然后卸除栽荷，根据钢球在金属表面上所奔出的凹痕面积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；
P——施加外力，N；
F凹——压痕面积，mm2.
根据压良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，故可将式中的h改换成d来表示，这样可以根据几何关系求出：
(D/2)-h=[(D/2)2-(d/2)2]1/2
H=[D-(D2-d2)1/2]/2
得：
HB=
P= F当试验力是P的单位是N
时
0.102PHB==F
式中的d是变数，故只需测出压痕直径d，根据已知D和P值就可以计算出HB值。在实际测量时，可由压痕直径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，若只采用同一种栽荷（如29400N）和同一个钢球直径（如D＝10mm）时，则对有些试样合适，而对另一些试样可能不合适，会发生整个钢球陷入金属中的现象；若对于厚的试样合适，则对于薄的试样可能会出现压透的可能。所以在测定不同的材料布氏硬度值时要求有不同载荷P和不同直径D的钢球。为了得到统一的、可以进行相互比较的数值，必须使D和P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23-1中可知d和φ的关系是：
以此代入得： Dφdsin=222 d = D sin φ 2
HB=
P2D
上式说明，当φ值为常数时，为使HB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，所得到的HB值是一样的。对不同的材料来说，得到的HB值也可以进行比较。按照国标GB231—88的规定，P／D2比值有30、10和2.5三种。
图23-1 布氏硬度的原理说明
试样的表面应呈光滑平面，无氧化皮、无油污，在加工制作过程中不应因受热或加工硬化而改变其硬度。
试样厚度不应小于压痕深度的10倍。
压痕中心距试样边缘的距离不小于压痕直径的2.5倍，而距相邻压痕中心的距离不小于压痕直径的4倍。
对试样进行加载之后，卸去载荷，取下试样，用读数显微镜测量压痕直径，精确到小数点后两位数的毫米值。
实验后压痕直径大小应在下列范围之内：
0.25D
如不符合上述条件时，认为试验结果无效。此时应选择相应的负荷重新试验。试验后试样边缘与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。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％。
目前布氏硬度的表示仍然用kg/mm2为单位，主要考虑到硬度值与过去的数据进行比较时的方便。
（二）洛氏硬度
洛氏硬度试验常用的压头为圆锥角α＝120o、顶部曲率半径为了。2mm的金刚石圆锥体或直径D＝1.588mm的淬火钢球。试验时（图23-2），先对试样施加初试验力F0，在金属表面得一压痕深度h0，以些作为测量压痕的基线。随后再加上主试验力F1，此时压痕深度的增量为h1。金属在F1作用下产生的总变形h1中包括弹性变形和塑性变形。当将F0卸除后，总变形中的弹性变形恢复，使压头回升一段距离。于是得到金属在F0
作用下的残余压痕深
度h（将此压痕深度h表示成e其值以0.002mm为单位表示）。E值愈大表明金属洛氏硬度愈低；反之，则表明硬度愈高。为了照顾习惯上数值愈大硬度愈高的概念，故用一个常数k减去e来表示洛氏硬度值，并以符号HR表示，即
HR＝k－e
当使用金刚石圆锥体压头时，常数k定为100；当使用淬火钢球压头时，常数k为130。
实际测定洛氏硬度时，由于在硬度计的压头上方装有百分表，可直接测出压痕深度，并换算出相应的硬度值。因此，在试验过程中金属的洛氏硬度值可直接读出。为了测定软硬不同的洛氏硬度标尺。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。
由于洛氏硬度试验力比较大，不宜用于测定极薄的工件及渗层或镀层的硬度。为此，人们应用洛氏硬度试验原理，减小试验力，设计出一种表面洛氏硬度计试验的残余压痕深度增量e以0.001mm为单位表示。
无论用洛氏硬度或表面洛氏硬度所测定的硬度值都写在洛氏硬度符号之后，如：HRC61.5、HRB90、HR15N85、HR30T75等。
（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维氏硬度值。所不同的是维氏硬度用的压头不是球体而是两对而夹角a＝136o的金刚石四棱锥体。压头在试验力F（单位是kgf或N）作用下，将试样表面压一个四棱锥形压痕，经规定时间体质载荷之后，卸除试验力，用读数显微镜测出压痕对角线平均长度d
d=[(d1+d2)/2]
式中d1和d2分别是两个不同方向的对角线长度，用以计算压痕的表面积。所以维氏硬度值（HV）就是试验力P除以压痕表面积F所得的商。当试验力P为kgf(9.8N)时计算公式如下：
图23-2 洛氏硬度试验原理 P2Psin(136o/2)PHV===1.8544Fd2d2
当试验力P为N时计算公式如下：
0.102P0.204Psin(136o/2)PHV===0.1891Fd2d2
与布氏硬度一样，维氏硬度值也不标注单位。维氏硬度值的表示方法是：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都不标）。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）～
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±2s。
（四）金属显微硬度试验法
金属显微硬度试验原理与宏观维氏硬度试验法完全相同。只不过所用试验力比小负荷试验力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到几十微米。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试验法完全相同。金属显微硬度试验的试验力，分为0.01（98×10-3）、0.02（1.96）、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。
（五）硬度试验方法的正确选用
根据试样的材料、工艺状态及几何尺寸等特点，选用一种合适的硬度试验方法，这是进行硬度试验时首先应认真考虑的问题。可以从以下几个方面进行考虑，供选择时参考。
1、布氏、洛氏、维氏硬度试验方法都可以测定软硬不同及厚薄不一的试样的硬度，但其所测定硬度值应在该方法允许的范围之内。例如，布氏硬度试验用钢球做压头时，所测材料的布氏硬度应小于450HBS，若用硬质合金球做压头时则可测得650HBW以下材料的硬度。又如，用洛氏硬度C标尺所测得硬度范围应在HRC20～67之间，若材料硬度小于HRC20，则应选用B标尺，若大于HRC67，则应选用A标尺。
2、尽管选用常用的各种硬度试验方法都可以对软硬不同、厚薄不一的试样测定硬度，但在实际生产和科研中，根据人们的经验及已经积累大量硬度试验数据来看，对上述几种硬度试验方法的选用还是有所侧重的。例如，对于各种铸铁、热轧和正火钢材、各种有色金属及其合金、轴承合金等硬度较低或金相组织较为粗大的材料常用布氏硬度；对于淬火后进行
不同温度回火的试样，各种工、模具及渗层厚度大于0.5mm的渗碳层等较硬的材料，常采用洛氏硬度C标尺法；对于硬质合金等很硬材料常采用洛氏硬度A标尺法；当零件和工模具渗层厚度较浅时可选用小负荷或显微硬度试验法。对于极薄的试样或合金中某相组成的硬度，只有采用显微硬度试验法。
3、对于同一种材料由于处理条件不同，其硬度差异较大，为了得到可比的结果，可采用维氏硬度法测定。
4、在试验和研究工作中，如若要将试验数据与查得的资料中的硬度值进行对比，应尽可能采用与资料上相同的试验方法进行试验，以免硬度换算引入误差。
5、生产上对产品进行大量检验时，常用洛氏硬度法，以提高检验效率。
（六）硬度试验所用试样的要求
1、试样表面应制成平整、光滑，不应有氧化皮和污物。为了能精确测定压痕对角线的尺寸，对试验的表面粗糙度有一定要求：布氏硬度试验的试样不在大于Ra0.8μm；维氏硬度试验表面粗糙度不大于Ra0.4μm；显微硬度试验的试样则不大于Ra0.2μm，一般应按金相试样要求制备。
2、试样制备过程中应尽量避免由于冷热加工而影响表面硬度。
三、实验条件
（一）硬度计。布氏、洛氏、维氏及显微硬度计各一台或若干台。
（二）读数显微镜。最小分度值为0.01mm，两台。
（三）标准硬度块。不同硬度试验方法的标准二等硬度块各一套。
四、实验步骤
（一）了解各种硬度计的构造、原理、使用方法、操作规程和安全注意事项。
（二）对各种试样选择合适的试验方法和仪器，确定实验条件。根据实验和试样条件选择压
头、载荷（砝码），根据试样形状更换试验台。
（三）用标准硬度块校验硬度计。校验的硬度值不应超过标准硬度块硬度值的±3％（布氏）或±（1％～1.5％）（洛氏）。
（四）试样支撑面、工作台和压头表面应清洁。试样平稳地放在工作台上，保证试验加载过程中不发生移动和翘曲，试验力平稳地加在试样上，不得造成冲击和震动，施力方向与试样表面垂直。保持载荷规定的时间（对布氏、维氏硬度，卸去载荷后用计数显微镜测量压痕尺寸，计算或查表），卸去载荷准确地记录试验数据。
五、实验报告
按实验报告的标准格式及所要求的内容完成。
实验五：材料冲击性能实验及低温韧性
实验学时：4
实验类型：综合性实验
实验要求：必修
一、实验目的
（一）掌握常温及低温下金属的冲击试验方法。
（二）学会用断口分析方法判断金属韧脆转化温度Tc的方法。
（三）了解冲击试验机的构造、使用和冲击试样的要求。
二、实验内容、实验原理、方法和手段
结构材料在静的载荷下发生破坏，没有在动载荷或冲击载荷下发生破坏那么常见。金属材料的冲击试验是测定在动载荷条件下金属材料的破断属性的试验方法。通常所说的冲击试验指一次冲击试验，试验是在苛刻的受力状态下进行的：
（1）加载速度非常高，因而有冲击的特点。
（2）多数情况下试样开有缺口，缺口周围的高的应力集中及硬的应力状态，妨碍材料的塑性流变。
（3）有时候还在低温进行冲击试验，低温提高了材料的变形抗力。
冲击试验时的材料特性在硬度试验、拉伸试验等准静态试验中不一定能够反映出来。上曾经尝试过拉伸冲击、扭转冲击、弯曲冲击等多种加载方式的试验方法，最后得到广泛应用的是弯曲冲击试验方法。它的试验机结构简单、操作方便，并且能够表现材料内部较微小的材质变化。
目前进行冲击试验普遍采用栋梁式弯曲加载方法。它的试样形式因材料而异。脆性材料如铸铁、粉末冶金材料、高速工具钢、轴承钢等使用无缺口试样，以黑色金属为主的结构材料的试样多采用V形缺口的外形尺寸为10mm×10mm×50mm的试样。V形缺口的缺口根部半径小，有强烈的缺口应力集中效应，对材料的微小变化反应敏感，更适合结构钢脆性行为的检验。然而这种试样的加工要求严格，缺口的尺寸稍有变化就会影响试验结果。试验的原理是用摆锤将固定靠放在稳定支架上的试样一次冲断。摆锤拥有的能量足以把试样一次折断，利用摆锤冲断试样后回升到高度与原来提升高度之差计算出试样破坏期间吸收的能量。
冲击功是摆锤冲断试样后回升角度余弦的函数
Ak=W-PH= W-PL(1-cosa)
式中 Ak——冲断试样所消耗的功，J；
W——摆锤释放前拥有的势能，J；
P——摆锤重力，N；
L——摆锤至摆锤旋转中心的距离，m；
α——冲断试样后摆锤回升的角度，（o）。
四、实验条件
（一）试验机
摆锤式冲击试验机的容量有300J、150J、100J和50J几种。应当事先估计材料的断裂能量大小选择试验机的容量。本试验采用JBD-300B低温冲击试验机设备主要参数如下：
摆锤冲击能量 300J和150J（两个摆锤互换互换） 摆锤力矩 100.7965N•m和80.3848N•m 摆锤预仰角 150 o
摆锤旋转中心至冲击点（试样中心）的距离 750mm
冲击速度 5.2m/s
试样支座跨距今 40mm
试样支座端部圆弧半径 1～15mm
支座支撑面倾角落 0 o
冲击刀夹角 30 o
冲击刀厚度 16mm
冲击温度范围 常温～-60℃
均温区范围 30×60mm
送料速度 ≤1.5s
温度梯度 2℃
温度波动 ±1.5℃
低温装置：低温装置采用半导体制冷器制冷。制冷的温度范围是0～-60℃。是利用半导体材料的温度电效应来实现制冷的。其主要结构由：外壳、送样槽、三极半导体制冷器、冷室、试样盒、出样槽、感温探头等组成。
试验之前应进行下列例行检查：
（1）试样的支座跨距要符合40＋0.5mm距离，坚固不动，摆锤的刀口处于支座的中央。
（2）摆锤空载运动时指针应指零位（摆锤自由下垂时，使指针紧靠拨针并对准最大冲击能量处，然后举起摆锤空打，指针应指零位）。
（3）机器上各种电器和机械部分动作正常。
（4）献宝常温试验的温度是20±5℃。
（5）低温冲击试验时一定要先通冷却水，进行循环冷却（试验结束后继续通水30min之后才可以停水）。
（二）试验方法
注意：摆锤抬起及摆过程中可能发生危险，要特别注意安全；冲击打飞的试样也可能打伤人，必须充分注意。
试样按规定的要求，切口对准支座的中心，并朝向被打出的方向。当进行系列温度试验时将试样按一定的规则排列编号，并且注意记住冲击试样的编号和对应的位置，按顺序依次进行冲击试验。
在进行低温冲击试验时，检查制冷装置的循环水是否畅通，将制冷电源打开，将试样装入试样盒，放入试验机的冷却槽内进行冷却。试验从低温开始做起，当达到要求的最低温度时，保持5min使其温度均匀，开动试验机进行系列冲击试验。
每次冲击试验之后立即刹车，停止摆锤运动，记录下冲击吸收功Ak的试验数据，将指针重新摆放在起始位置，再进行下一个试验。
试验材料和试样
根据国家标准GB229—84和GB2106—80的规定，冲击试验可使用夏比U形缺口（其冲击功表示为AKU）和夏比V形缺口（其冲击功表示为AKV）试样。试样外形尺寸均为非作10mm×10mm×55mm，缺口深度为2mm，其尺寸要求及表面粗糙度要求如图24-1所示。无论U形缺口还是V形缺口，当坯料尺寸无法满足10mm×10mm×55mm要求时，可加工成7.5mm×10mm×55mm或5mm×10mm×55mm小尺寸的辅助试样，此时缺口应开在试样的窄面上。
对一些脆性材料，如是工具钢、铸造在色金属、灰铸铁、可锻铸铁等金属材料及其制品，一般不作冲击试验，所以在上述两个国家标准中取消了不带缺口的10mm×10mm×55mm非标准冲击试样。对硬质合金和球墨铸铁等脆性材料可按有关标准进行冲击试验。
由于冲击试样的尺寸及缺口形状对冲击试验的数据影响非常大，所以不同形式试样的冲击韧性之间不能相互对比，也不能互换。在冲击试验报告中必须注明试样形状及尺寸。试
样的加工精度必须满足上述两个国家标准的要求。检查试样尺寸所用的量具精度应不低于图24-1 夏比V形缺口冲击试样
0.02mm。
五、实验报告
按实验报告的标准格式及所要求的内容完成。