一種便攜式布氏硬度計

朱旭明 李 矛 翁 俊 孫春宇 孫桂清/. 上海市計量測試技術研究院；. 上海大學

該文介紹一種以液壓系統為加力裝置，通過測深法來確定布氏硬度值的便攜式布氏硬度計，克服了常規布氏硬度計加力裝置結構比較復雜和固定不動等問題，可解決批量工件在現場進行布氏硬度的檢測，該方法還避免了人為測量誤差，尤其對一些大型工件來說，可顯著提高工作效率。

0 引言

工程中為了在不破壞工件的情況下，方便地成批檢驗產品的質量，通過硬度檢測來確定產品的物理性能指標。它是指材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力，是衡量材料物理性能的依據，是一個綜合的物理量。

布氏硬度值是用一定直徑的硬質合金球，在一定試驗力的作用下壓入試件表面，經一定時間后卸除試驗力而獲得壓痕，以壓痕表面積上所承受的平均壓力來表示的。目前大多數布氏硬度壓痕的測量值是通過普通的光學顯微鏡來得到，不但造成較大的人為測量誤差，而且工作效率低。硬度計的加力裝置是通過杠桿加載砝碼，結構比較復雜，同時布氏硬度壓痕比較大，成品檢驗有困難。本文通過運用測量壓痕深度來換算成布氏硬度值，取代原來用測量壓痕直徑換算成布氏硬度值，采用液壓系統為加力裝置通過測深法來確定布氏硬度值的方法，可解決批量工件在線檢測布氏硬度值，避免了人為讀數誤差，尤其對一些大型工件來說，可顯著提高工作效率。

1 測量原理

布氏硬度測量的原理：對直徑為D的硬質合金壓頭施加規定的試驗力，使壓頭壓入試樣表面，經規定的保持時間后，除去試驗力，測量試樣表面的壓痕直徑d，布氏硬度就是用試驗力除以壓痕表面積S的商來計算，如圖1所示。

圖1 布氏硬度試驗原理

HBS——表示用淬火鋼球壓頭測量的布氏硬度值。適用范圍：小于HBS 450；

HBW——表示用硬質合金壓頭測量的布氏硬度值。適用范圍：HBW 450～650

式中：

F —— 試驗力， 單位 N；

D —— 球壓頭直徑，單位mm；

h —— 壓痕深度，單位mm；

d —— 壓痕直徑，單位mm

G ——標準重力加速度，1/G=1/9.80665=0.102

這是布氏硬度測量的基本原理，但是由于試樣材質不同、硬度不同、試樣大小及薄厚也不同，一種試驗力、一種壓頭自然不能滿足要求。在試驗力和壓頭球直徑的選擇方面需要遵循的規則有兩個：

規則一，要使試驗力與球壓頭直徑的平方之比為一個常數。如圖2所示：

圖2 布氏硬度壓痕相似原理

這個規則來源于相似律。根據相似律，在（圖2）中不同直徑的球壓頭D1、D2在不同的試驗力F1、F2作用下壓入試樣表面，壓痕直徑d1、d2是不同的，但是只要壓入角1、角2相同，壓痕就具有相似性。這時試驗力和球壓頭直徑的平方之比就是一個常數。在這種條件下，采用不同的試驗力和不同直徑的球壓頭，在同一試樣上測得的硬度值是相同的，在不同的試樣上測得的硬度值是可以相互比較的。試驗力與球壓頭直徑平方之比在采用公斤力的舊標準中表示為F/D2，在采用牛頓力的新標準中表示為0.102F/D2。

規則二，試驗后要使壓痕直徑處于以下范圍：0.24D＜d＜0.6D

否則試驗結果是無效的,應選擇合適的試驗力重新試驗。大量試驗表明，當壓頭直徑在0.24D～0.6D之間時，測得的硬度值與試驗力大小無關。布氏硬度試驗可選擇的試驗力從3000 kg到1 kg大約有20個級別。布氏硬度試驗可選擇的壓頭直徑為φ10 mm、φ5 mm、φ2.5 mm、φ1 mm共4種。布氏硬度試驗可選擇的0.102F/D2值為30、15、10、5、2.5、1 共 6 種。

在標準GB/T231.1-2002中規定了試驗條件：試驗力和壓頭直徑平方比（0.102F/D2）應按材料的種類和硬度范圍來選擇，不再贅述。

2 總體結構

便攜式布氏硬度計的機械部分包含升降機構及工作臺、加力裝置和壓頭設計等。升降機構的工作原理比較簡單，由圖3可知：通過手柄的人工搖動，垂直方向的錐齒輪轉動帶動水平方向的錐齒輪聯動，繼而再帶動與它聯立的水平直齒輪工作，與此同時直齒輪再帶動其兩旁的兩個水平直齒輪運轉，從而改變螺母在絲桿上的位置來移動壓頭的上下位置。另外，選取雙絲桿之目的也是為了保證測試能夠更加穩定進行。

圖3 現場布氏硬度計總體結構

加力裝置主要就是液壓千斤頂，經過杠桿和大小活塞的兩次放大，根據布氏硬度測試最常用的試驗條件擬定設計基本要求：大柱塞試驗壓力為3000 kg，最大行程是5 mm，采用10 mm直徑鋼球壓頭，壓入深度為1 mm。考慮一般人可以在杠桿處輸出的力值區間和大小活塞的行程及設備總體尺寸，得到對于千斤頂設計的平衡位置是：小柱塞取φ10 mm、行程10 mm，大柱塞取φ40 mm、行程 5 mm，壓強p= 23.87 MPa，油箱為φ36×20 mm，杠桿放大30倍，即桿長為300 mm（考慮手握位置+50 mm），那么工作人員只需在杠桿處施加6.25 kg力便可達到要求，對于一般試驗人員均沒有問題。

3 硬件、軟件設計

根據布氏硬度的試驗原理，要測算布氏硬度值，所需獲得的數據包括兩部分：試驗力F和壓痕深度d。其中試驗力由LSR-A2型壓力傳感器獲得，壓痕深度由rsj-1容柵數顯位移傳感器獲得，以這兩個傳感器為核心組成整個系統的數據采集部分。

本系統的原理圖框圖如圖4所示，壓力傳感器和位移傳感器采集到的信號，需要經過AD574的模數轉換才能被讀取，進入單片機MCS51-89C52，顯示動態的試驗力和壓頭壓入試樣的深度，當達到預定試驗力時，采用位移傳感器的位移值并送數據處理，通過液晶顯示屏顯示試樣的硬度值并存儲。

圖4 系統硬件原理框圖

軟件設計的主導思想：采用模塊化結構，大量調用子程序及中斷服務程序，盡量減少主程序內容，使條理清晰，調試方便。圖5為系統主程序流程圖

軟件的主要功能：軟件程序包括液晶驅動程序、漢字顯示程序、數據采集和數據處理。

圖5 系統程序流程圖

4 運行與調試

實驗過程中需對傳感器信號進行連續采樣和A/D轉換，顯示動態的試驗力和壓頭壓入試樣的深度，求出試驗力的最大值和卸除試驗力后的殘余壓痕深度，并送數據處理，顯示試樣這個點的布氏硬度值并存儲。每個試樣結束后，顯示硬度的平均值。

5 結束語

本文在分析整個系統功能的基礎上，設計了一種采用液壓系統為加力裝置，通過測深法來確定布氏硬度值的便攜式布氏硬度計，提出了采用測量壓痕深度的方法獲得硬度值的方案。

但上述實驗中未考慮樣品表面粗糙度和彈性形變對試驗結果的影響，因此需要進行大量的實驗，與標準進行比較，從而歸納總結出修正因子。另外菜單模式以及軟件上的功能有待優化與豐富。

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