5）只可用来测定硬度小于HB450的金属材料。
（三）维氏硬度试验法
维氏硬度试验是静载压入法中较精确的一种，它能测定各种金属材料的硬度。
1.测试原理
维氏硬度的测试原理基本与布氏硬度相同，也是根据压痕单位面积上的负荷来计算硬度值。
用符号HV表示。
试验时，用一个相对两面夹角为136度的金刚石棱锥压头，在一定负荷作用下压人被测试样表面，保持一定时间后卸除负荷，试样表面压出一个四方锥形的压痕，测量压痕的对角线长度（mm），并计算HV值：
（kg/mm2）
式中：
P——负荷（常用的负荷为5、10、20、30、50、100kg）。
d——压痕对角线长度（mm）。
负荷P的选择应根据试样的厚度和硬度范围面定。
见表1-4。
表1-4试验负荷P选择参照表
HV25-50
HV50-100
HV100-300
HV300-900
0.3-0.5
－
－
－
5-10
0.5-1.0
－
－
5-10
10-20
1.0-2.0
5-10
5-10
10-20
20或大于20
2.0-4.0
10-20
20-30
20-50
50或100
＞4.0
20或大于20
30或大于30
50或100
50或100
测出压痕对角线长度d后，还可通过查表得出HV值。
见附表1-6。
2.维氏硬度计的操作
维氏硬度计操作步骤与布氏硬度计相似。
所不同的是在读数显微镜下测量其压痕对角线的长度。
1）将手柄推至试验力卸除位置，使硬度计处于预工作状态。
2）转动砝码变换手柄使其对准已选好的试验力值。
3）向左转动转动头座使压头转到试台中心位置。
4）将试件放在已选好的试台上，旋转手轮升起试台，至试件与保护套接触为止（轻力转不动手轮为止）。
5）向前拉动手柄，使试验力作用到试件上，此时指示灯燃亮。
试验力保试一段时问后，卸除试验力。
6）指示灯熄灭后（指示灯的燃亮时间即为试验力保持时间）转动手轮，使试件脱离金刚石压头（约7毫米）。
7）向右转动转动头座，使物镜对正压痕并转动手轮使试面（压痕）处于物镜焦面（用眼在目镜内能看见清晰的压痕为止）。
8）测量压痕：
首先移开测微计的两刻线，使其间距大于压痕的对角线，然后，移动左刻线接触压痕的一角，再移动右刻线使之由外向里接触压痕的另一角。
压痕大小的读数：
首先读出分划板上被压痕盖住的完整格数，再读出螺旋百分筒上的格数，二者相加即为压痕对角线的长度。
例：
（见图1）在图l中，被压痕盖住的刻线格为4格，而在螺旋百分筒上的格数为43，则0.4+0.043=0.443毫米，即为压痕的长度。
测量一对角线长度后，将测微目镜转90°角再测量另一对角线长度。
两次测量的算术平均值，即为此压痕对角线长度。
根据已得出的压痕对角线的长度和所用的试验力，在维氏硬度值换算表中查出硬度值，取下试件，即完成一次试验。
（四）各种硬度间的换算
附表1-7中列出布氏、洛氏和维氏硬度间的换算。
洛氏硬度和布氏硬度之间有一定的换算关系。
对钢铁材料而言，HB2HRBHB10HRC（只当HRC=4060范围）
四、实验仪器、设备及材料
HRS-150型洛氏硬度计；HR-150A型洛氏硬度计；HB-3000B型布氏硬度计HV-50型维氏硬度计；读数显微镜。
45钢退火件；45钢或T10钢淬火件；纱布等。
五、实验步骤
1.分组熟悉各种硬度计的构造及操作方法。
2.用砂纸打磨试样的表面
3.进行硬度测定，洛氏硬度（HRB、HRC）每个试样测三点，取平均值并记录在下表中；，布氏硬度（HB）每个试样测两点，然后用读数显微镜测试样表面的压痕直径，测得结果查表1-5确定试样的硬度值，取两点的平均值并记录在下表中。
。
洛氏硬度
项目
试样
实验规范
实验结果
换算成布氏硬度HB
压头
主载荷kg
硬度标尺
第一次
第二次
第三次
平均值
45钢淬火
45钢退火
布氏硬度
项
目
试
样
实验规范
实验结果
换算洛氏值
钢球直径
D
（mm）
主载荷
（kg）
P/D2
施荷停留时间
（S）
第一次
第二次
平均值
HB
HRC
HRB
压痕直径d
（mm）
HB
压痕直径d
（mm）
HB
45钢退火
六、实验报告要求
1.认真填写实验内容、实验目的、实验仪器、设备及材料、布氏、洛氏硬度计的测定原理、实验步骤；
2.填好上述二表；
3.选择下列三种材料所用的硬度计类型（要全面）及压入条件：
（1）60钢淬火件；
（2）20钢淬火后高温回火（调质处理）；（3）20钢退火件；（4）铝合金；
4.认真回答思考题。
七、实验成绩评定
按照实验指导书的具体要求，根据每个学生实验前的预习情况、实验过程中操作情况及实验报告的质量，综合给出实验成绩。
附表1-5压痕直径与布氏硬度对照表
注：
1.本表摘自国家标准金属布氏硬度试验法（GB231-63）中规定的数据。
2.表中压痕直径D=10mm钢球的试验数据，如用D=5mm或D=2.5mm钢球试验时，则所得压痕直径应分别增加到2倍或4倍。
例如用D=5mm钢球在750kgf载荷下所得的压痕直径为1.65mm，则在查表时采用1.65×2=3.30mm，而其相应硬度值为341。
附表1-6压痕对角线长度与维氏硬度对照表
附表1-7各种硬度（布氏、洛氏、维氏）换算表
注：
1.本表摘自国家标准GB1172-74中所列的数据；
2.表中带有括号“（）”的硬度值仅供参考。
实验二材料力学性能综合实验
一、实验目的
1．测定铸铁的抗弯强度σb；测定铸铁弯曲时的最大挠度并与理论值比较，验证求桁梁挠度的理论公式；绘制铸铁弯曲时的P－f曲线；
2.了解冲击试验机的使用方法；测定低碳钢和铸铁的冲击韧性值；观察断口的破坏形式，进行对比；
3.了解12型纯弯曲疲劳试验机操作方法；观察疲劳试验过程；
4.掌握宏观断口的分析方法，认识脆性断裂、韧性断裂、疲劳断裂的宏观断口特征；初步认识比较典型的微观断口的特征。
二、实验内容
本综合实验内容较多，共分四大部分，1.弯曲试验；2.冲击韧性试验；3.疲劳演示试验；4.断口形貌观察分析（对弯曲、冲击及疲劳试验后的试件断口进行分析）。
首先对材料进行力学性能测试（包括弯曲、冲击及疲劳等性能测试），然后对各种试验后的断口形貌进行观察分析，这样有助于学生建立完整的知识体系和总结概括能力。
三、实验原理
弯曲试验
简支梁中点受一集中力P，如图（2－1），其中
点挠度为f=Pt3/48EJ
抗弯强度σb=Mb/W
式中：
Mb—弯曲时的最大弯矩
W—抗弯截面模量
J—截面对中性轴的轴惯性矩
E—弹性模量
冲击韧性试验
在冲击载荷作用下，由于加载速度不同，材料的机械性质也随之发生变化。
如塑性材料在快速冲击载荷作用下就会出现脆性断裂。
冲击试验就是检验材料抵抗冲击的能力和对缺口的敏感性。
冲击试验是一项对比试验，必须在国家规定的条件下进行。
本试验参照国际GB229－84“金属夏比（U型缺口）冲击试验方法”执行。
试件的规格尺寸技术要求见图（2－2）。
试件方置在冲击试验机的机座上，摆锤下落其受冲击而折断。
摆锤冲击试件前后具有不同的高度H和h，见图（2－3），其势能之差即为冲断试件所消耗的功W（J）。
W=Gl（cosβ－cosα）
试件
摆锤
机座JIZUO
轴O
α
β
图2－2冲击试件尺寸图图2－3冲击试验原理图
式中G为摆锤的重力（N）；l为摆长（mm）;α未冲断试件前摆锤的扬角;β为冲断试件前后摆锤的最大摆角。
将冲击功W除以试件断口处的截面积A所得数值定义为材料的冲击韧度（αk）。
αk＝W／A（J／cm2）
式中W的值在实验机标度盘上直接读出。
试件中间的可刻槽处有应力集中，并处于不利的三向拉应力状态，呈脆性断裂破坏。
目的是模拟工程中实际构件有截面变化、沟槽、螺纹、螺孔等承受冲击的不利情况。
纯弯曲疲劳演示试验
本机有试样夹持机构、加荷装置、计数器计及机台等组成。
机身固定在机台上，电动机装于机身右侧，与减速器及计数器相连。
当启动按钮开关时，电动机旋转，减速器通过连接轴带动主轴内的试样旋转。
左、右鼓轮组成了主轴系统，是仪器的主要部分。
左、右鼓轮的组成是相同的，只是右鼓轮是主动轮，左鼓轮是从动轮。
它主要由弹性夹头、空心主轴、主轴两边一边一个双列向心球轴承、鼓体以及鼓架等零件组成。
两个鼓架分别通过螺钉相对称地固装在鼓轮的两侧；鼓架的一端短轴支撑在机身的凸台上，作为力的支点，另一端的短轴与长箍组成活动连接，作为力的支点。
试样用弹性夹头夹持，夹持的同时又与主轴固成一体，固主轴在轴承的支撑下将带动试样一起转动。
转动空心轴一端的大螺钉便可使空心轴推进或拉出，从而使试样夹紧或放松。
试样上的负荷是直接用加砝码的形式，砝码挂在穿过空心螺钉的拉杆上，拉杆与连接板之间用弹簧连接，保证加卸负荷的平稳性。
加卸负荷采用摇动手轮即可使空心螺杆上升或下降，当螺杆上升托住拉杆的肩部时，全部负荷由空心杆来承受，当螺杆下降而脱开拉杆的肩部时，全部荷重则作用在试样的两端。
减速箱是由一对涡轮副所组成，将电动机的转速减低100倍而传给机械计数器的连接轴使试样旋转。
电子计数器则直接显示转速和累积循环次数，并可设定停止试验的循环次数。
实验时，试样被夹紧，电动机通过连轴带、减速箱、连接轴、右主轴、试样随左主轴一起旋转。
负荷则通过拉杆卡箍等作用在左右主轴上（即试样的两端）。
在试样的实验部分全长受到一均匀分布的纯弯曲力矩的作用，负荷方向虽不变，但试样在旋转，所以试样上每一点的应力是随试样的旋转而作用相同速度的反复变化。
试样经过多次反复循环后，因疲劳而破断，右鼓轮压在停车按钮上，使电动机立即停止转动。
疲劳试验均采用小型试件，其尺寸和形式目前尚无统一标准，一般根据试验机的具体构造而定。
断口形貌观察分析
材料进行弯曲、冲击及疲劳试验后，对试件的弯曲、冲击断口及疲劳断口进行形貌观察分析。
材料的断裂表面称为断口。
用肉眼或放大镜对材料断口进行宏观分析，用电子显微镜对断口进行微观分析，以了解材料发生断裂的原因、条件、断裂机理以及断裂有关的各种信息的方法，称为断口分析法。
1．金属断裂的宏观分析
1）韧性断裂时的外形和特征
韧性断裂就其外形而言，可分为斜断口平断口两种。
平断口是材料在三向拉应力的条件下造成的断裂，其断裂面与主应力方向垂直；而斜断口是金属材料在二向应力的条件下，有切应力分量的作用所造成的剪切断裂，断裂面与主应力成45。
夹角。
在韧性断裂中，往往是平断口和斜断口同时存在于一个断口当中一般认为首先产生平断口，最后形成斜断口。
韧性断裂断口的宏观形貌――断口三要素
钢材光滑试棒拉伸的断口，宏观形貌可分为三个特征区：
纤维区、放射区、剪切唇区，见图（2－6），通称为断口的三要素。
纤维区是裂纹的发源地，在三向应力的作用下，在材料的某些缺陷处（如夹杂、疏松等）首先形成显微孔洞，进而聚合产生微裂纹，缓慢地扩展长大。
该区的断口呈现粗糙的纤维状，颜色较为灰暗，放射区与纤维区互相毗连，裂纹进入放射区，标志裂纹已经开始快速失稳扩展。
其断口特征为放射棱线，放射方向就是裂纹扩展方向。
当应力转向二向应力状态时，就出现第三个区――“剪切唇”，这就是最终的快速断裂区。
2）脆性断裂断口的外形和特征
脆性断裂的断口，一般与正应力垂直，断口的纤维区很小，剪切唇区几乎没有，宏观上比较齐平光亮，常呈放射状或结晶状。
3）疲劳断裂断口的外形和特征
工程材料（特别是航空材料）的机械断裂事故80％以上是由于金属疲劳破坏所引起的。
因此，疲劳断口的宏观分析是断口宏观分析的最主要的内容之一。
疲劳断口保留的整个断裂过程的所有痕迹，具有明显的形貌特征。
典型的疲劳断口具有三个特征区——疲劳源、疲劳裂纹扩展区、瞬断区，见图（2－7）。
疲劳源区是疲劳裂纹萌生的策源地，常和缺陷有关。
疲劳源区裂纹表面反复受挤压，摩擦次数多，疲劳源区比较光亮。
若端口同时存在几个疲劳源，可根据每个疲劳区大小、源区的光亮程度确定各疲劳源产生的先后，源区越光亮，相连的疲劳区越大，就越先产生；反之，产生的就晚。
疲劳区是疲劳裂纹亚临界扩展形成的台阶，其宏观特征时断口较光滑并分布有贝纹线（或海滩花样），有时还有裂纹扩展台阶。
断口光滑是疲劳源区的延续。
其程度随裂纹向前扩展逐渐减弱，反映裂纹扩展快慢、挤压摩擦程度上的差异。
贝纹线是疲劳区最典型特征，疲劳区的每组贝纹线好象一簇以疲劳源为圆心的平行弧线，凹侧指向疲劳源，凸侧指向裂纹扩展方向。
近疲劳区贝纹线较细密，表现裂纹扩展较慢；远离疲劳区贝纹线较稀疏、粗糙，表明此段裂纹扩展较快。
疲劳区的另一个特征是疲劳台阶，在多疲劳源的断裂件的断口上，往往看到起伏比较明显的台阶，由于存在多疲劳源，裂纹先是在各自有利的平面上扩展，当两个不同平面上扩展的疲劳裂纹相遇连接时，通过切变撕裂等方式形成疲劳台阶并逐渐趋向在同一平面上扩展。
所以疲劳台阶一般由粗到细，呈尖三角形，与疲劳弧线近似正交。
尖角所指方向基本上是裂纹扩展方向。
有时断口上并无明显的疲劳弧线（如薄板件），却有明显的疲劳台阶，同样为疲劳断口提供了重要依据。
瞬断区时裂纹失稳扩
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