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                  上海蒲柘光电仪器有限公司

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                  技术文献

                  布氏硬度计特点、原理、应用及实验要求

                  作者:上海蒲柘光电 日期:2014-07-09 15:04:07

                  布氏硬度计特点、原理、应用及实验要求

                  一、布氏硬度实验执行标准;
                  二、布氏硬度计的特点;
                  三、布氏硬度计原理;

                  四、布氏硬度计的应用;
                  五、布氏硬度试验力的选择;
                  六、布氏硬度对试样的要求;
                  七、布氏硬度实验方法要求;
                  八、布氏硬度实验结果的表示;
                  九、布氏硬度测试结果的不确定度;

                  十、布氏硬度范围;
                  十一、布氏硬度实验报告;
                  十二、布氏硬度计的日常检查;

                  一、布氏硬度实验执行标准:
                  金属布氏硬度试验方法新标准采用了国际标准ISO 6506-1:2005。新标准是根据ISO 6506-1:2005重新起草,根据我国的实际情况,采用国际标准时进行了修改和补充。

                  按国际标准结构,ISO 6506由3部分构成:
                  ISO 6506-1:2005金属材料    布氏硬度试验   试验方法
                  ISO 6506-2:2005 金属材料   布氏硬度试验   硬度计的检验与校准
                  ISO 6506-3:2005金属材料    布氏硬度试验   标准硬度块的标定
                  ISO 6506-4:2005金属材料    布氏硬度试验   硬度值表

                  我国的布氏硬度试验方法标准编制与国际标准相对应:
                  GB/T 231.1-2009   金属布氏硬度试验              第1部分     试验方法
                  GB/T 231.2-2012   金属布氏硬度试验              第2部分     硬度计的检验与校准
                  GB/T 231.3-2012   金属布氏硬度试验              第3部分     标准硬度块的标定
                  GB/T 231.4-2009  金属材料 布氏硬度试验     第4部分     硬度值表   

                  新标准只允许使用硬质合金球压头。布氏硬度符合为HBW,不应与以前的符号HB和用钢球头时使用的符号HBS相混淆。

                  二、布氏硬度计的特点:

                  布氏硬度试验的优点是其硬度代表性好,由于通常采用的是10mm直径球压头,3000Kg试验力,其压痕面积较大,能反映较大范围内金属各组成相综合影响的平均值,而不受个别组成相及微小不均匀度的影响,因此特别适用于测定灰铸铁、轴承合金和具有粗大晶粒的金属材料。它的试验数据稳定,重现性好,精度高于洛氏,低于维氏。此外布氏硬度值与抗拉强度值之间存在较好的对应关系。
                  布氏硬度试验的特点是压痕较大,成品检验有困难,试验过程比洛氏硬度试验复杂,测量操作和压痕测量都比较费时,并且由于压痕边缘的凸起、凹陷或圆滑过渡都会使压痕直径的测量产生较大误差,因此要求操作者具有熟练的试验技术和丰富经验,一般要求由专门的实验员操作。

                  三、布氏硬度计原理:

                  布氏硬度计的工作原理把一定直径的硬质合金球,在一定试验力作用下,以一定的速度压入试样表面,经规定的试验力保持时间后卸除试验力。测量试样表面压痕直径,以试样压痕球形表面积上的平均压力来表示金属的布氏硬度值。
                  布氏硬度计布氏硬度计 

                  计算公式:
                  布氏硬度计

                  式中:F—试验力,N;               
                  S—压痕表面积,mm2;               
                  D—硬质合金球直径,mm;                
                  h—压痕深度, mm;               
                  d—压痕直径,mm
                  布氏硬度计

                  四、布氏硬度计的应用:
                  布氏硬度计主要用于组织不均匀的锻钢和铸铁的硬度测试,锻钢和灰铸铁的布氏硬度与拉伸试验有着较好的对应关系。布氏硬度试验还可用于有色金属和软钢,采用小直径球压头可以测量小尺寸和较薄材料。布氏硬度计多用于原材料和半成品的检测,由于压痕较大,一般不用于成品检测。

                  五、布氏硬度计试验力的选择:
                  布氏硬度试验条件的选择如同洛氏硬度试验关于标尺的选择一样,布氏硬度试验也要遇到试验条件的选择问题,即试验力F和压头球直径D的选择。这种选择不是任意的,而是要遵循一定的规则,并且要注意试验力和压头球直径的合理搭配,应用起来比洛氏硬度试验略显复杂。
                  国家标准中规定了4种直径的硬质合金球做压头。
                  布氏硬度不同条件下的试验力如下图:


                  硬度符号

                  球体直径
                  D/mm

                  力-压头直径比
                  0.102×F/D2/
                  (N/mm2)

                  试验力
                  标称值
                  F/N

                  HBW 10/3000
                  HBW 10/1500
                  HBW 10/1000
                  HBW 10/500
                  HBW 10/250
                  HBW 10/100

                  HBW 5/750
                  HBW 5/250
                  HBW 5/125
                  HBW 5/62.5
                  HBW 5/25

                  HBW 2.5/187.5
                  HBW 2.5/62.5
                  HBW 2.5/31.25
                  HBW 2.5/15.625
                  HBW 2.5/6.25

                  HBW 1/30
                  HBW 1/10
                  HBW 1/5
                  HBW 1/2.5
                  HBW 1/1

                  10
                  10
                  10
                  10
                  10
                  10

                  5
                  5
                  5
                  5
                  5

                  2.5
                  2.5
                  2.5
                  2.5
                  2.5

                  1
                  1
                  1
                  1
                  1

                  30
                  15
                  10
                  5
                  2.5
                  1

                  30
                  10
                  5
                  2.5
                  1

                  30
                  10
                  5
                  2.5
                  1

                  30
                  10
                  5
                  2.5
                  1

                  29420
                  14701
                  9807
                  4903
                  2452
                  980.7

                  7355
                  2452
                  1226
                  612.9
                  245.2

                  1839
                  612.9
                  306.5
                  153.2
                  61.29

                  294.2
                  98.07
                  49.03
                  24.52
                  9.807

                  为了反映式样尽量大面积上的硬度值,尽可能选择大直径压头进行试验。
                  当试样厚度允许时,应优先选用直径10mm的球体压头。
                  试验力的选择必须保证压痕直径d在0.24D~0.6D之间。
                  试验力-压头直径平方比率(0.102F/D2比值)应根据材料和硬度值选择:


                  材料

                  布氏硬度             HBW

                  试验力-压头直径比
                  0.102×F/D2/(N/mm2)

                  钢、镍合金、钛合金

                   

                  30

                  铸铁1)

                  <140

                  10

                  ≥140

                  30

                  铜及铜合金

                  <35

                  5

                  35~200

                  10

                  >200

                  30

                  轻金属及其合金

                  <35

                  2.5

                  35~80

                  5

                  10

                  15

                  >80

                  10

                  15

                  铅、锡

                   

                  1

                  1)对铸铁的实验,压头名义直径应为直径一般为2.5、5、10mm

                  六、布氏硬度对试样的要求:

                  1)试样表面质量
                  试样表面应光滑、平坦,表面应无氧化皮及外界污物,尤其不应有油脂。式样表面光洁度应能保证压痕直径的精准测量,建议试样表面粗糙度Ra通常不大于1.6μm。过于粗糙的式样表面会使试样抵抗实验力的能力下降,从而导致测定的布氏硬度值偏低,另一方面,也给压痕直径的测量带来较大的误差,使实验结果分散加大。
                  制备试样时,应使过热或冷加工等因素对试样表面性能的影响减至最小。
                  2)试样最小厚度
                  国家标准中对试样厚度作了明确规定:试样厚度至少应为压痕深度的8倍。
                  压痕平均直径与试样最小厚度关系表                                       mm
                  布氏硬度计
                  试样厚度除满足表中规定外,试验后还应检查试样背面,如果试样背面出现变形痕迹,则表明试样厚度不够。

                  七、布氏硬度实验要求:
                  试样应放置于刚性支撑物上,式样背面和支撑物之间应清和何物外界污物(养化皮、油、灰尘等)。式样稳固地放置于支撑物上以保证实验中不产生位移。 从加力开始至施加完全部试验力的时间应在2s~8s之间。试验力保持时间为10s~15s。对于要求试验力保持时间较长的材料,试验力保持时间误差为±2s。 在整个试验期间,硬度计不应受到影响实验结果的冲击和振动。 任一压痕中心距式样边缘的距离至少为压痕平均直径的2.5倍。两相邻压痕中心间距至少为压痕平均直径的3倍。应在两相互垂直方向测量压痕直径。用两个读书的平均值计算布氏硬度。
                  注: 对于自动测量装置,可采用如下方式计算:
                  ——等间隔多次测量的平均值;
                  ——材料表面压痕投影面积数值。

                  八、布氏硬度实验结果的表示:
                  布氏硬度用符号HBW表示,符号HBW前面为硬度值,符号后面是按如下顺序表示实验条件的指示:
                  压头直径,mm; 试验力数字; 与规定时间不同的试验力保持时间,s;
                  例1:350HBW5/750   用直径5mm的球体在7.355kN试验力保持时间10s~15s测定的布氏硬度值为350。
                  例2:600HBW1/30/20   用直径1mm的球体在294.2N试验力保持时间20s测定的布氏硬度值为600。

                  九、布氏硬度测试结果的不确定度
                  影响实验结果不确定度的因素很多,可分为以下两大类: 1、与布什硬度计相关的参数(包括硬度计校验误差和标准块标定误差)。 2、与试验方法相关的参数(操作条件的变化)。

                  十、布氏硬度测量范围
                  标准规定的布氏硬度实验范围上限为650HBW。
                  对于特殊材料或产品的实验,应在专门的标准中规定。

                  十一、布氏硬度实验报告:
                  试验报告包括如下内容:
                  GB/T 231的本部分编号; 有关式样的详细资料; 如果试验温度不在10℃~35℃,应注明试验温度:实验结果; 不在GB/T 231本部分规定之内的操作; 影响实验结果的各种细节。

                  十二、布氏硬度计的日常检查:
                  使用者应在当天使用硬度计之前,对其使用的硬度标尺或范围进行检查。 日常检查之前,(对每个范围/标尺和硬度水平)应使用依照GB/T 231.3标定过的标准硬度块上的标准压痕进行压痕测量装置的间接检验。压痕测量值应与标准硬度块证书上的标准值相差在0.5%以内。如果测量装置不能满足上述要求,应采取相应措施。 日常检查应在按照GB/T 231.3标定的标准硬度块上至少打一个压痕。如果测量的硬度(平均)值与标准硬度块标准值的差值在GBB/T 231.2中给出的允许误差之内,则硬度计被认为是满意的。如果超出,应立即进行间接检验。 所有数据应当保存一段时间,一边监测经独家的再现性和测量设备的稳定性。

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