布氏硬度试验原理与检测方法

1. 布氏硬度试验原理与检测方法 1. 硬度基本知识 2.布氏硬度简介 3.布氏硬度操作原理 4.布氏硬度检测方法与技术条件 5.布氏硬度的应用范围及优缺点。

2. 1. 硬度的基本知识 1.1.关于硬度的定义： 硬度,目前尚无统一的表达方式，有人称“是材料抵抗残余变形和反破坏的能力”，也有人说“是材料抵抗弹性变形，塑性变形或破坏的能力” ；总之，它既表明材料的弹性变形，也表明材料的塑性变形。 硬度值的获得不仅与材料的弹性极限，弹性模数、屈服极限、脆性乃至于材料的结晶状态、分子结构和原子间键结合力等有关，而且与测量条件和测量方法密切相关。 对于以压入法进行的硬度试验而言，一般认为，硬度是物质抵抗另一较硬的，具有一定形状和尺寸的物体压入其表面的能力。

3. 1.2硬度的试验分类及其特点 硬度试验分类：按施加试验力的方法分为静载压入法和动载试验法， 静载试验法：布氏硬度、洛氏硬度及维氏硬度试验等。 动载试验法：肖氏硬度、里氏硬度等。 硬度试验特点： 1.硬度试验为非破坏性试验，对工件的损伤极小，一般不影响使用； 2.试验方法简单方便，对大小部件均可直接测量。便携式硬度计可在现场，在部件上直接测量； 3.对于不能切割成试样的工件进行质量检测，如工具、刀具和天平的刀垫及刀子等，硬度试验是惟一可行的试验方法； 4.硬度试验操作简单、效率高，每小时可以进行数百次，甚至上千次测量，对重要零、部件可进行l00％的检验； 5.硬度值与其他机械性能，如强度极限等有近似的换算关系，有了硬度值就可以间接的了结其他机械性能。因此，可以大大提高工作效率，节约原材料。 6.硬度试验是理化分析，金相试验及材料科学的重要手段。 总之，硬度试验是材料机械性能试验中最简单、迅速和易于实施的方法，是确定材料合理的加工工艺、检验产品质量的主要手段之一。

4. 1.3硬度检测的发展趋势 随着近代工业生产和科学技术的不断发展，对硬度试验的要求越来越广泛，对硬度测定的准确度要求越来越高，相应地也促进了结构先进、高效率、高精度的新型硬度计的产生。 随着产品的规模化和生产过程的自动化，以及更加严格的品质控制要求，在生产过程中连续自动测量系统的发展是必然的趋势，以达到在线测量和进行质量控制。 关注硬度试验的发展趋势，追踪新型检测方法，开展硬度理论基础研究工作，保证硬度计量测试工作不断发展是我们以后工作的重点

5. 2.布氏硬度试验简介 布氏硬度试验是所有硬度试验中压痕最大的一种试验法，它能反映出材料的综合性能，不受试样组织显微偏析及成分不均匀的影响，所以它是一种精度较高的硬度试验法。在冶金、锻造、铸造、未经淬火钢及有色金属等工业领域、实验室、大专院校和科研单位内广泛使用。

6. 3.布氏硬度试验操作原理 • 3.1操作原理 • 用一定直径的钢球或硬质合金球，在规定的试验力作用下压入试样表面，经规定的保持时间后卸除试验力，测量试样表面压痕直径，布氏硬度值是试验力除以压痕表面积的商。见图3－1

7. 3.2计算公式 布氏硬度试验采用硬质合金球压头，硬度符号为HBW； 普通钢球，硬度符号为HBS 布氏硬度值按下式计算的： 式中：F—试验力，kgf； s——压痕表面积，mm h——压痕深度，mm2。 式中：D—球压头直径，mm； F——试验力，N； d——压痕平均直径，mm；

8. 3.3布氏硬度相似原理及其应用 布氏硬度计有多种钢球，多种载荷供试验选择。在进行布氏硬度试验时，照常理分析，对应同一试样采用不同直径钢球与变化试验力时，凹印面积会有变化，但单位面积上的抗力应该是相同的 ，即布氏硬度值应为常数。实际上，在硬度检测中试验力与钢球任意变换时，直径的变化与凹印面积的变化在球冠与接近球径处是非线性关系的，对于软硬差异大的材料，压头压入深浅不同对应其应力状况也是复杂的。所以上述理想状况是不存在的，即在布氏硬度试验中，不能任意选择压头和试验力，必须遵守一定的原则，这就是相似原理。

9. 对与不同硬度的材料，如能采用变换试验力和相应变换压头球径获得统一的压入角（如图3－2），这就可获得准确的可比的硬度值。在布氏硬度检测中，只有对相似原理有清楚的认识和理解才能运用自如和获得准确以及可比较的数据。 但在实际的工作中，由于材料的千差万别，材料的硬度值变化很大，目前还没有技术能获得统一的压入角。为了得到较理想的结果和技术上又便于实现，合理搭配试验力和球径，控制压入角和压痕直径在一定范围内变化就能获得对同一种材料有相同的硬度值，对不同硬度的材料能获得可比较的硬度值结果。 对于同一试样，采用不同直径的球压头及不同的试验力，要得到相同的硬度值，或者说，要获得可以比较的结果，只有在试验力与球压头直径的平方之比为一个常数时才可能。即： 压痕相似原理

11. 相似原理的应用 K值及K常数的选择： 在国标GB231-84中K值有30、15、10、5、2.5、1.25、1共7种，钢球直径有10mm、5mm、2.5mm、2mm、1mm共计5种。 进行布氏硬度检测时，对不同硬软的材料，应选用不同的K值，一般的规律是硬的材料K值选用高；软的材料K值选用低。

12. 虽然K值从30到1差别很大，但其目的主要是为硬、软差别的材料在进行检测时。时气压入角相近；使压痕直径（d）能控制在0.24~0.6D之间。当d=0.375D时的压入角＝440，是维氏硬度压头1360的补角，见图4—3，d与D(球压头直径)之比例可用下式表示。由图4～2可知，当布氏硬度值低于450HB时与维氏硬度值相同，两者相符性好。只有在硬度值增高时才产生差异。这种差异随着硬度值增高及球压头压入角减少(α＜44。)而增大。采用硬质合金球压头时，相符性将提高虽然K值从30到1差别很大，但其目的主要是为硬、软差别的材料在进行检测时。时气压入角相近；使压痕直径（d）能控制在0.24~0.6D之间。当d=0.375D时的压入角＝440，是维氏硬度压头1360的补角，见图4—3，d与D(球压头直径)之比例可用下式表示。由图4～2可知，当布氏硬度值低于450HB时与维氏硬度值相同，两者相符性好。只有在硬度值增高时才产生差异。这种差异随着硬度值增高及球压头压入角减少(α＜44。)而增大。采用硬质合金球压头时，相符性将提高 在进行布氏硬度检测时，一般在测得压痕直径d后，可查表得到硬度值。当获得d值不在0.24D＜d＜0.6D范围内，要重新选择K值，当d<0.24D时，K值向增大方向选用；当d>0.6D时，K值向减小方向选用。

13. 4.布氏硬度检测方法与技术条件 4.1硬度值用以下方法表示： HBS、HBW前面的数值为硬度值，符号后面为试验条件，即球直径及试验力及保持时间，采用规定的保持时间(10—15s)则不用标注。 350HBW5／750——用5mm硬质合金球，在7.355kN(750kd’)试验力下保持10—15s，测得的硬度值为350；10—15s为标准时间．不用标注。 600HBW1／30／20——用1mm硬质合金球，在294．2N(30kd)试验力下保持20 s’测得的布氏硬度值为600。 4.2布氏硬度试验的测量装置：布氏硬度试验一般采用测量压痕直径的方法；但在自动硬度计中，或在大批量试样试验时常采用商分表测量压痕深度的方法，以提高试验速度。有的生产线上的自动测量仪器采用对压痕进行扫描的方式测量硬度值。今后将会出现更多的更为先进的仪器。 4.3布氏硬度计试验力的设置： 施加载荷的时间为2~8s。黑色金属的保载时间为10~15s；有色金属为30s；布氏硬度小于35时为60s。 布氏硬度试验硬度范围的上限为650HBW。试验力范围为9.807N－ 29.42kN，表3—2为不同条件下的试验力，供试验时选用。

15. 4.5、布氏硬度试验的试样 (1)试样的表面应光滑平整，不应有氧化皮及污物，尤其不应有油脂。试样表面应能保证压痕直径的精确测量，表面粗糙度只Ra一般不应低于0.80um (2)试样制备过程中，应尽量避免由于过热或冷加工等对试样表面硬度产生影响。 (3)试样的厚度至少应为压痕深度的10倍 4.6试验误差的主要来源 1．试验仪器 (1)试验力： a．珐码的精度； b．加力机构的摩接力及惯性力； c．力杠杆比的变化； d．作用力与试台台面的垂宣度； e．加力过程是否平稳。 (2)硬质合金球压头： (3)测量显微镜： 2．试验条件 (1)加荷速度的变化； (2)试验力保持时间的误差； (3)室温及环境状态不好。 3. 试祥 (1)试样厚度不够； (2)压痕之间及压痕与试样边缘距 (3)表面状态及表面粗极度不好； (4)工作面与支承面平行性超标。 4.人员误差 (1)操作不当； (2)感准及读数误差。

16. 5. 布氏硬度试验设备介绍： 布氏硬度试验设备包括；硬度计、球压头及测量显微镜。根据加力方式及测量对象的不同，布氏硬度计有不同的结构形同式： • 1．直接加荷式 • 2．杠杆加荷式 • 3．液压加荷式 • 4. 电子加压式，无砝码 • 5. 便携式硬度计，这种仪器体积小，携带方便，适应于现场使用，但精度 较低。如弹簧加荷式，球压头在压缩弹簧推动下压入试样； • 6. 锤击硬度计等。 • 上述种种仪器中．以杠杆式硬度计数量最多，使用最为广泛。

18. XHB-3000型数显布氏硬度机是精密的机械结构和微机控制闭环系统的光、机、电一体化产品,也是当今比较先进的布氏硬度计。仪器取消了砝码，采用电动加卸试验力，由0.5‰精度的压力传感器进行反馈，CPU控制并能对试验中损失的试验力进行自动补偿。压痕可在仪器上通过测微目镜直接测量，并能在LCD显示屏显示压痕的直径、硬度值和17种不同硬度试验的对照表以及当前设置状态下自动显示布氏硬度试验（HBW）的范围。在页面上还能进行保荷时间、灯光亮度的设置，同时为方便用户的使用设计一个F/D2选择表。XHB-3000型数显布氏硬度机是精密的机械结构和微机控制闭环系统的光、机、电一体化产品,也是当今比较先进的布氏硬度计。仪器取消了砝码，采用电动加卸试验力，由0.5‰精度的压力传感器进行反馈，CPU控制并能对试验中损失的试验力进行自动补偿。压痕可在仪器上通过测微目镜直接测量，并能在LCD显示屏显示压痕的直径、硬度值和17种不同硬度试验的对照表以及当前设置状态下自动显示布氏硬度试验（HBW）的范围。在页面上还能进行保荷时间、灯光亮度的设置，同时为方便用户的使用设计一个F/D2选择表。

19. 该机采用液压系统加卸试验力，可自动完成一个工作循环，适用于测定大型金属零件的布氏硬度值。用光栅测量压痕深度，数字显示硬度值，并可打印记录。每小时可自动完成400次试验，特别适用于对成批试件和在生产线上进行布氏硬度试验。该机采用液压系统加卸试验力，可自动完成一个工作循环，适用于测定大型金属零件的布氏硬度值。用光栅测量压痕深度，数字显示硬度值，并可打印记录。每小时可自动完成400次试验，特别适用于对成批试件和在生产线上进行布氏硬度试验。

20. HBX-0.5型携带式布氏硬度计可用来测定弹性模量近似等于2的黑色金属的布氏硬度值。 HBC型锤击式布氏硬度计可测定黑色金属和有色金属的布氏硬度值及钢的抗拉强度。适用于厂矿车间及材料库现场。

21. 6.布氏硬度的应用范围及优缺点 适应于具有大晶粒金属材料的硬度测定，例如铸铁、有色金属及其合金，各种退火、调质处理后的钢材，也可以对原材料及半成品进行检验。 1．具有较大的压头和较大的试验力 由于采用较大的球压头(40m)和较大的试验力，得到较大直径的压痕，因而能测量出试样较大范围内的性能，而不受材料中个别组织的影响。 2．与其他机械性能的关系 如抗拉强度极限，磨损性能等这在生产实际中具有很大的意义。可以通过测量硬度的方法得到近似的强度值，既可以提高工作效率，又可节省大量原材料。 材料的b与HB之间的经验关系： 对于低碳钢: b(MPa)≈3.6HB 对于高碳钢：b(MPa)≈3.4HB 对于铸铁： b(MPa)≈1HB或 b(MPa)≈ 0.6(HB-40) 3．精度高 布氏硬度试验由于压痕较大，具有较高的测量精度，这个方法简单易行，误差因素较少，因而数据稳定、可靠，精度较高。 4. 不足之处：操作时间较长，对不同软硬材料试样要选择和更换压头及检测力，压痕测量也较费时间

22. 作业 1.熟悉硬度计的结构与操作。 2.了解布氏硬度的基本原理及载荷与压头的选用原则。 3.熟悉读数显微镜的使用 4.测定退火碳钢20＃、45＃及T8钢的布氏硬度，绘出硬度－含碳量关系曲线。 5.分析含碳量—平衡组织－硬度之间的关系。

23. 3.2布氏硬度试验的测量装置 布氏硬度一般采用测量压痕直径的方法来得到硬度值；目前大多数布氏硬度压痕的测量值是通过普通的光学显微镜来人为测量得到的。我们本次试验就采用读数显微镜来测量压痕的直径。 一、用途：该仪器结构简单、使用方便。可作测定孔距、刻线宽度、刻线距离、键槽宽度、狭缝凹痕、宽度、长度、金属表面质量、纤维、织物密度、野外标本等。　本仪器尤其适合测量布氏硬度试验压痕尺寸。 技术规格： 测微鼓最小读数值：0.01mm 测量范围：0~6mm 仪器放大倍数：20X目镜放大倍数：20X物镜放大倍数：1X分划板格值：1毫米分划板刻度范围：8毫米

24. 4、实验操作步骤 HB－3000型布氏硬度计操作步骤如下： ① 根据试样的大小及形状选择压头与载物台。 ② 选择载荷。 ③ 选择施加试验力的时间：2～8s。 ④ 选择载荷的保持时间：黑色金属的保载时间为10～15s； 有色金属为30s；布氏硬度小于35时为60s。 ⑤ 将试样用砂轮磨平上下两表面后，置于载物台上。 ⑥ 正式试验：旋转载物台将试样与压头接触紧密后，开始加 载8s，继续保载15S，最后撤掉试验力，实验过程完成。 ⑦ 确定试验结果：试验结束后, 转动载物台，取下试样 ， 用读数显微镜测量试祥表面的压痕直径，从相互垂直方向 各测二次，取其平均值，用该值查表，即得试样硬度值。

25. 0 2 3 4 5 6 1 70 60 50 读数显微镜的使用 测量过程：将仪器放在被测试样上，让光源照明被测试样的被测部分，然后调节目镜螺旋，在目镜视场中看清压痕和刻度线。 进行测量时，将仪器放在被测压痕上，移动仪器使视场中的上分划板中的一条刻度线与压痕的一边相切，转动测微鼓，使下分化板的长刻度线与压痕的另一边相切，如上图所示。 读数：上刻度板上读取整数如上图为3（一个为1mm），在测微鼓上为62（每个测微鼓一格等于0.01mm），则压痕的直径数为3.62mm。 把工件旋转90°，再测量一次（但由于压痕通常为不规则形状，故要把工件旋转90°，再测量一次取平均值），取两次结果的平均值，即得到孔的最终直径。

26. （一）读数显微镜的工作原理 首先进行调零，调节旋转螺母使标线对准X轴的整刻度线。旋转螺母共分为50格，每格0.01mm。标线在玻璃片A上，X轴在玻璃片B上。调零结束后，用硬度计给工件打上压痕，硬度计施加的力F和钢球的直径D。调节旋转螺母，使与螺母相连的触头推动玻璃片A在X轴方向上移动，两次分别与压痕相切，玻璃片A与触头间有弹簧连接，可以自由伸缩。标线走过的距离可以通过显微镜读出，此即为压痕的直径。但由于压痕通常为不规则形状，故要把工件旋转90°再测量一次取平均值。 （二）读数显微镜的使用方法 1．先把读数显微镜进行调零（注意要轻轻旋转旋钮，因为读数显微镜是高精度仪器且成本高，用力过大会导致精度降低）； 2．然后将打上压痕的元件置于水平工作台面上； 3．把读数显微镜置于元件上（当显微镜与工件置于一起时，手不要抖动，因为显微镜与工件的结合不是很紧固，稍不注意会造成读数误差），把透光孔对向光亮处； 4．通过旋转螺母，使标线沿X轴左右移动； 5．标线与压痕的两侧分别相切，此时标线走过的距离即为压痕直径； 6．把工件旋转90°，再测量一次（但由于压痕通常为不规则形状，故要把工件旋转90°，再测量一次取平均值），取两次结果的平均值，即得到孔的最终直径。 7．记下读数后，把显微镜归零后收放到指定位置