《金属加工与实训》金属材料的硬度（举一反三考点练）- 讲义

举一反三考点练 《金属加工与实训》金属材料的硬度-讲义 （1）掌握硬度核心概念与工程意义 （2）掌握三大硬度测试方法（压入法） （3）掌握硬度值标注规范 （4）掌握方法特性对比与选型 知识点一 布氏硬度(HBW) 硬度是指金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。它是衡量金属材料软硬程度的性能指标。由于硬度试验基本上不损伤工件，操作简便、迅速，可直接在工件上进行测试，所以应用广泛。同时，硬度又是一项综合力学性能指标，金属表面的局部压痕可以反映出金属材料的强度和塑性。因此，在零件图上经常标注出各种硬度指标作为技术要求。硬度对机械零件的耐磨性有直接影响，金属材料的硬度值越高，其耐磨性也越好。 硬度测定方法有压入法、划痕法、回弹高度法等，其中压入法的应用最为普遍。在压入法中，根据载荷、压头和表示方法的不同，常将硬度分为布氏硬度(HBW)、洛氏硬度(如HRA、HRBW、HRC等)和维氏硬度(HV)三种。 一、布氏硬度(HBW) 布氏硬度用符号HBW 表示。布氏硬度试验是用一定直径的硬质合金球，以匹配的试验力压入试样表面，保持规定的时间后卸除试验力，测量试样表面的压痕直径d，然后根据压痕直径d计算其硬度值的方法，如图1-3所示。目前，金属材料布氏硬度试验执行国家标准GB/T231.1——2018，本标准规定的布氏硬度值试验范围上限为650。 布氏硬度的标注方法是将测定的布氏硬度值标注在符号HBW 的前面。试验力保持时间为10~15s时，可以不标出试验力保持时间，但在其他条件下测得的布氏硬度值，均应在符号HBW 的后面用相应的数字注明硬质合金球直径、试验力大小和试验力保持时间。例如，150HBW10/1000/30表示用直径为10mm的硬质合金球,在1000 kgf(9.807 kN)试验力作用下，保持30s时测得的布氏硬度值为150；又如，500HBW5/750表示用直径为5mm 的硬质合金球,在750 kgf(7.355kN)试验力作用下,保持10~15s时测得的布氏硬度值为500。 布氏硬度试验的特点是试验时金属材料表面压痕大，能在较大范围内反映被测金属材料的平均硬度，测得的硬度值比较准确，数据稳定。但由于压痕较大，对金属材料表面的损伤较大，所以不宜测定太小或太薄的试样。布氏硬度试验主要用于测定原材料的硬度，如铸铁、非铁金属、经退火处理或正火处理的金属材料及其半成品。 【单项选择题】硬度与金属材料耐磨性的关系是（ ） A. 硬度值越高，耐磨性越好 B. 硬度值越高，耐磨性越差 C. 硬度与耐磨性无直接关系 D. 硬度值越低，耐磨性越好 【答案】A 【解析】文中明确“硬度对机械零件的耐磨性有直接影响，金属材料的硬度值越高，其耐磨性也越好”，B、C、D表述均错误，故答案为A。 1. （单项选择题）布氏硬度标注“500HBW5/750”中，未标注试验力保持时间，说明保持时间范围是（ ） A. 5~10s B. 10~15s C. 15~20s D. 20~25s 【答案】B 【解析】文中提到“试验力保持时间为10~15s时，可以不标出试验力保持时间”，“500HBW5/750”未标注保持时间，即默认10~15s，故答案为B。 2. （单项选择题）在压入法硬度测定中，不包括以下哪种硬度类型？（ ） A. 布氏硬度(HBW) B. 洛氏硬度(HRC) C. 维氏硬度(HV) D. 肖氏硬度(HS) 【答案】D 【解析】文中提到压入法中“常将硬度分为布氏硬度(HBW)、洛氏硬度(如HRA、HRBW、HRC等)和维氏硬度(HV)三种”，D肖氏硬度属于回弹高度法硬度，故答案为D。 3. （填空题）金属材料抵抗局部变形（特别是塑性变形、压痕或划痕）的能力称为________，它是衡量材料软硬程度的指标。 【答案】硬度 【解析】根据内容开篇定义，“硬度是指金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力”，故填“硬度”。 1. （单项选择题）布氏硬度试验的特点不包括（ ） A. 压痕大，能反映平均硬度 B. 硬度值准确，数据稳定 C. 对材料表面损伤小 D. 不宜测太小或太薄的试样 【答案】C 【解析】文中提到布氏硬度试验“压痕大，能反映平均硬度，值准确稳定”“压痕较大，对表面损伤较大，不宜测太小或太薄试样”，A、B、D均为其特点；C“损伤小”与“压痕较大，损伤较大”矛盾，故答案为C。 2. （单项选择题）下列哪种材料最适合用布氏硬度试验测定硬度？（ ） A. 薄钢板 B. 细小的金属丝 C. 退火处理的铸铁原材料 D. 表面精度极高的精密零件 【答案】C 【解析】文中指出布氏硬度试验“主要用于测定原材料的硬度，如铸铁、非铁金属、经退火处理或正火处理的金属材料及其半成品”，且不宜测太小、太薄试样或表面精度高的零件；A（薄钢板）、B（细金属丝）、D（精密零件）均不符合，C符合，故答案为C。 3. （填空题）布氏硬度试验中，卸除试验力后需测量试样表面的________，再据此计算硬度值。 【答案】压痕直径d 【解析】文中明确“布氏硬度试验是……卸除试验力，测量试样表面的压痕直径d，然后根据压痕直径d计算其硬度值”，故填“压痕直径d”。 · 原理与表示：布氏硬度（HBW）用硬质合金球压入材料表面，通过测量压痕直径来计算硬度值。 · 特点与优劣：优点是压痕大、结果准、数据稳，能反映材料宏观平均硬度；缺点是损伤大，因此不适合测试成品件或太薄、太小的试样。 · 主要应用：主要用于测定原材料（如铸铁、有色金属）及退火、正火态的半成品毛坯的硬度。 知识点二 洛氏硬度(HR) 洛氏硬度试验是将锥角为 的金刚石圆锥压头或直径为1.5875mm或3.175mm的硬质合金球压头分两个步骤压入试样表面，经规定保持时间后，卸除主试验力，测量在初试验力作用下的残余压痕深度，如图1-4所示，根据试样残余压痕深度增量来衡量试样硬度的大小。 在图1-4中，0-0位置为金刚石圆锥压头还没有与试样接触时的原始位置；当加上初试验力 后，压头压入试样中，深度为 处于1—1位置；再加主试验力 ，使压头又压入试样的深度为 ，处于2—2位置；然后去除主试验力 保留初试验力 压头因材料的弹性恢复到图中3—3位置。图中h称为残余压痕深度。洛氏硬度试验就是用残余压痕深度来计算金属材料的硬度值，实际测量时可通过试验机的表盘直接读取被测金属材料的硬度值。洛氏硬度按选用的总试验力及压头类型的不同，常用A、B、C三种标尺(表)1-2)。根据GB/T 230.1—2018规定，洛氏硬度数值写在符号HR 的前面，HR 后面写使用的标尺，如50HRC表示用“C”标尺测定的洛氏硬度值为50。 表1-2洛氏硬度测试规范 硬度符号单位 压头类型 初试验力/N 总试验力/N 适合测试材料 有效值 HRA 120°金刚石圆锥压头 98.07 588.4 硬质合金、表面淬火钢 20~95 HRBW 直径1.5875 mm球压头 98.07 980.7 退火钢、非铁金属 10~100 HRC 120°金刚石圆锥压头 98.07 1 471 一般淬火钢件 20~70 洛氏硬度试验是生产中广泛应用的一种硬度试验方法，其特点是压痕小、对试样表面损伤小，常用来直接检验成品或半成品零件的硬度，尤其是经过淬火处理的零件，常采用洛氏硬度计进行测量；另外，洛氏硬度试验操作简便，可直接从试验机上读取硬度值。但是，由于压痕小，所以硬度值的准确性不如布氏硬度高，数据重复性差。因此，测量时要选取试样上不同位置的三个点测出硬度值，将三个点硬度值的平均值作为被测金属材料的洛氏硬度值。 【单项选择题】为提高洛氏硬度测量数据的可靠性，正确的做法是（ ） A. 仅测量试样一个位置的硬度值 B. 测量试样上不同位置的三个点，取平均值 C. 选择试样表面有划痕的位置测量 D. 增大压头直径以减小压痕深度 【答案】B 【解析】文中提到“由于压痕小，硬度值准确性不如布氏硬度高，数据重复性差，所以测量时要选取试样上不同位置的三个点测出硬度值，将平均值作为洛氏硬度值”，A、C、D均不符合规范，故答案为B。 1. （单项选择题）HRC标尺对应的压头类型是（ ） A. 直径1.5875mm的硬质合金球压头 B. 直径3.175mm的硬质合金球压头 C. 锥角120°的金刚石圆锥压头 D. 锥角90°的金刚石圆锥压头 【答案】C 【解析】表1-2显示HRC标尺“压头类型”为“120°金刚石圆锥压头”，A对应HRBW，B未在表中对应常用标尺，D不是洛氏硬度试验压头锥角，故答案为C。 2. （单项选择题）洛氏硬度试验中，去除主试验力后保留初试验力，压头位置变化的原因是（ ） A. 材料发生塑性变形 B. 材料发生弹性恢复 C. 初试验力增大 D. 主试验力未完全卸除 【答案】B 【解析】文中说明“去除主试验力F₁，保留初试验力F₀，压头因材料的弹性恢复到图中3—3位置”，压头位置变化的原因是材料弹性恢复，A、C、D均不符合原文描述，故答案为B。 3. （填空题）洛氏硬度试验将压头分两个步骤压入试样表面，先加________，再加主试验力。 【答案】初试验力（或F₀） 【解析】文中明确“洛氏硬度试验是将……压头分两个步骤压入试样表面……当加上初试验力F₀后……再加主试验力F₁”，故填“初试验力（或F₀）”。 1. （单项选择题）根据GB/T 230.1—2018规定，洛氏硬度的正确标注格式是（ ） A. HR+标尺+硬度值 B. 硬度值+HR+标尺 C. 标尺+HR+硬度值 D. 硬度值+标尺+HR 【答案】B 【解析】文中提到“洛氏硬度数值写在符号HR的前面，HR后面写使用的标尺”，如“50HRC”，符合“硬度值+HR+标尺”格式，故答案为B。 2. （单项选择题）洛氏硬度试验的优点不包括（ ） A. 压痕小，对试样表面损伤小 B. 可直接检验成品或半成品零件 C. 硬度值准确性比布氏硬度高 D. 操作简便，可直接读取硬度值 【答案】C 【解析】文中指出洛氏硬度试验“压痕小、损伤小，可检验成品，操作简便”，但“硬度值的准确性不如布氏硬度高，数据重复性差”，C选项与原文矛盾，故答案为C。 3. （填空题）根据表1-2，HRBW标尺对应的初试验力为________N，该力在试验过程中先施加且最终会保留。 【答案】98.07 【解析】表1-2中，HRA、HRBW、HRC三种常用标尺的“初试验力/N”均为98.07，HRBW也不例外，故填“98.07”。 · 根据压头和总试验力不同，分为HRA、HRB(W)、HRC等多种标尺，以适应不同硬度的材料。 · 优点是压痕小、损伤小、效率高，可直接用于成品或半成品零件的检验； · 缺点是因压痕小导致数据重复性较差，需多点测量取平均值以保证准确性。 知识点三 维氏硬度(HV) 维氏硬度用符号 HV 表示。维氏硬度的试验原理与布氏硬度的试验原理相似，如图1-5所示。将相对面夹角为136°的正四棱锥体金刚石压头，在规定试验力F(49.03~980.7N)作用下压入试样表面，保持规定时间后卸除试验力，用测微仪器测出压痕的对角线长度，算出两对角线长度d₁和d₂的算术平均值d后，查国家标准GB/T 4340.4——2022即可得出维氏硬度值。 维氏硬度值的测量范围为5~1000。其标注方法与布氏硬度相同，硬度值写在符号HV的前面，试验条件写在符号HV 的后面。试验力保持时间为10~15s时，可以不标出试验力保持时间，但在其他条件下测得的维氏硬度值，均应在 HV的后面用相应的数字注明试验力大小和试验力保持时间。例如,640HV30表示用30kgf(294.2 N)试验力,保持10~15s时测得的维氏硬度值是640；640HV30/20表示用30kgf(294.2N)试验力,保持20s时测得的维氏硬度值是640。 维氏硬度试验适用范围广，从很软的材料到很硬的材料都可以测量，尤其适用于零件表层硬度的测量，如化学热处理的渗层硬度测量，其测量结果精确可靠。但测量维氏硬度值时，需要测量压痕的对角线长度，然后查表或计算，而且维氏硬度测量对试样表面的质量要求高，测量效率较低，因此维氏硬度没有洛氏硬度使用方便。 【单项选择题】下列关于维氏硬度与洛氏硬度的对比，正确的是（ ） A. 维氏硬度测量效率比洛氏硬度高 B. 维氏硬度对试样表面质量要求比洛氏硬度低 C. 维氏硬度适用材料范围比洛氏硬度广 D. 维氏硬度无需测量压痕参数即可直接读数 【答案】C 【解析】文中指出维氏硬度“适用范围广，从很软到很硬的材料都可测量”，洛氏硬度有明确标尺适用材料限制，故C正确；A错误（维氏效率低），B错误（维氏对表面质量要求高），D错误（维氏需测对角线长度），故答案为C。 1. （单项选择题）下列哪种情况不适合用维氏硬度试验？（ ） A. 测量硬质合金的硬度 B. 测量铝合金的渗氮层硬度 C. 大批量成品零件的快速硬度检测 D. 测量退火钢的表层硬度 【答案】C 【解析】文中提到维氏硬度“测量效率较低”，不适合大批量快速检测；A、B、D均符合其“适用范围广、适用于表层硬度”的特点，故答案为C。 2. （单项选择题）维氏硬度试验中，计算压痕对角线长度时，需取d₁和d₂的（ ） A. 最大值 B. 最小值 C. 算术平均值 D. 乘积 【答案】C 【解析】文中明确“算出两对角线长度d₁和d₂的算术平均值d后，查国家标准即可得出维氏硬度值”，A、B、D均不符合计算要求，故答案为C。 3. （填空题）维氏硬度的符号为________，试验所用压头为相对面夹角136°的正四棱锥体金刚石。 【答案】HV 【解析】文中开篇即指出“维氏硬度用符号 HV 表示”，且明确压头类型，故填“HV”。 1. （单项选择题）维氏硬度标注“450HV15/25”中，“25”代表的是（ ） A. 试验力15kgf对应的压力值 B. 试验力保持时间25s C. 压痕对角线长度25mm D. 试样表面硬度的允许偏差 【答案】B 【解析】根据标注规则，“HV后面数字依次为试验力、试验力保持时间（非10~15s需标）”，“450HV15/25”中“15”为试验力（15kgf），“25”为保持时间（25s），A、C、D均不符合标注含义，故答案为B。 2. （单项选择题）维氏硬度试验原理与下列哪种硬度试验原理相似？（ ） A. 洛氏硬度（HRC） B. 布氏硬度（HBW） C. 肖氏硬度（HS） D. 里氏硬度（HL） 【答案】B 【解析】文中明确“维氏硬度的试验原理与布氏硬度的试验原理相似”，均通过压头压入、测量压痕参数（直径/对角线）计算硬度，A原理为测残余压痕深度，C、D为回弹法，故答案为B。 3. （填空题）维氏硬度试验中，卸除试验力后，需用测微仪器测量压痕的________，再计算其算术平均值以查得硬度值。 【答案】对角线长度（或d₁和d₂） 【解析】文中提到“用测微仪器测出压痕的对角线长度，算出两对角线长度d₁和d₂的算术平均值d后，查国家标准即可得出维氏硬度值”，故填“对角线长度（或d₁和d₂）”。 · 维氏硬度（HV）使用136°金刚石正四棱锥压头，通过测量压痕对角线长度查表得出硬度值。 · 优点是测量范围极广（从极软到极硬材料），精度高，尤其适用于测量薄层和渗层硬度； · 缺点是操作繁琐、效率低，需测量对角线和查表，对试样表面光洁度要求高。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！2 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$