現場布氏硬度檢測技術

張紅軍

摘 要：硬度是材料最重要的參數之一，一定程度上反映了材料強度及剛度等性質，因此，材料的硬度測試在生產過程中具有非常重要的意義。布氏硬度作為最早提出的硬度測試方法之一，以其測量精確度高、可重復性好等優點，得到了廣泛應用。因此，工業現場亟需一種便攜的硬度測試壓痕測量裝置，實現高精度自動化測量。文章對現場布氏硬度檢測技術進行了研究分析，以供參考。

關鍵詞：布氏硬度;檢測技術

1 前言

隨著制造業的發展，對原材料及零部件的力學性能要求越來越高。在冶金、電力、石油機械、軌道車輛、汽車、軍工裝備等領域，都需要在生產現場檢測金屬材料及大型零件的本體硬度，特別是要求檢測布氏硬度，許多產品還要求進行逐件檢測。布氏硬度檢測的優點是代表性好，由于通常采用的是29 420N（3 000kgf）試驗力、直徑10mm球壓頭進行試驗，因此其壓痕面積較大，能夠真實反映較大范圍內金屬各組成相綜合影響的平均硬度值，而不受個別組成相及微小不均勻的影響。布氏硬度檢測試驗數據穩定、重現性好、精度高，特別是金屬材料的布氏硬度值與抗拉強度值之間存在較好的對應關系，因此布氏硬度檢測得到了廣泛的應用。布氏硬度試驗的缺點是壓痕較大，對成品檢測較困難。另外，測試操作較麻煩，不能直接得到測試結果，需要先用光學顯微鏡測出壓痕直徑，再查表才能得到布氏硬度值，因而檢測效率低，測試過程中還可能會帶入一定的人為誤差。

2 檢測原理

用一定直徑的球體，以規定的試驗力（F）壓入式樣表面，保持一定時間后卸除試驗力，測量試樣表面的壓痕直徑（d）。用試驗力除以壓痕球形表面積來計算布氏硬度值。以HBS（鋼球）表示，單位為N/mm2（MPa）。一、計算公式：HB=F/S/=F/π（d/2）2式中：F-壓入金屬試樣表面的試驗力，N;S-壓痕表面積，mm2 D-試驗用鋼球直徑，mm;d-壓痕平均直徑，mm。

3 布氏硬度計

布氏硬度計分為手動布氏硬度計和自動硬度計。隨著科技的發展市面上還出現了智能化布氏硬度測量分析系統。操作更簡便，數值更精準。國標GB/T231-2002《金屬硬度試驗第二部分：硬度計的檢驗與校準規定》對布氏硬度計進行了要求。以保證布氏硬度計對試驗產生的誤差更小。標準中對布氏硬度計的檢驗分為布氏硬度計基本功能的直接檢驗和檢查硬度計綜合性能的間接檢驗。a布氏硬度計的直接檢驗包括a試驗力的檢查b壓頭的檢查。c布氏硬度計壓痕測量裝置的檢驗b布氏硬度計的間接檢驗：使用標準布氏硬度塊進行。

4 現場大型布氏硬度機

應用于生產現場的大型布氏硬度機有搖臂式和門式兩種。

4.1 搖臂式布氏硬度機

由底臺、立柱、搖臂、垂直移動單元、測量頭、電控箱、壓痕讀數裝置及測量臺組成。立柱可以安裝在底臺上，也可安裝在地面上，搖臂安裝在立柱上，垂直移動單元安裝在搖臂上，其下端是測量頭，電控箱和壓痕測量裝置安裝在立柱上。搖臂可以沿立柱做180°旋轉，垂直移動單元可以沿橫梁進行橫向移動，機器最大喉深600mm。測量時，垂直移動單元可以帶著測量頭沿垂直方向移動，移動范圍可以從距地面300mm到900mm。如果在立柱的3個不同方向上放置3個不同高度的測量臺，就可以分別測試3種不同高度范圍的工件。施加試驗力由電腦控制伺服電機完成，由力傳感器測出試驗力的大小，再控制伺服電機，實現力的閉環控制。開始測量后機器會自動完成測量頭向下移動、加力、保持試驗力、卸力、測量頭回到初始位置等動作。在電控箱的觸摸屏上可以進行參數設置，還可以進行測量值校正。壓痕測量裝置由顯示屏和測量頭組成，該套裝置可以針對各種測量面上的布氏硬度壓痕進行100%的自動檢測。測量面的處理方式可以是角磨機、砂輪機打磨的，也可以是車床、銑床、磨床加工的，只要人眼能識別，機器就能識別，且無需使用鼠標。測量壓痕時，只要將測量頭放到壓痕上，按鍵后顯示器就會立刻顯示出壓痕圖像、壓痕直徑和對應的布氏硬度值。該種搖臂式布氏硬度機加力精度可達到±0.5%，其布氏硬度的測試精度等于或高于臺式硬度計的。

4.2 門式布氏硬度機

由底臺、鋼軌、載物車、門架、垂直移動單元、測量頭、電控柜及壓痕測量裝置組成。門架和鋼軌可以安裝在底臺上，也可以安裝在車間地面上，垂直移動單元安裝在門架上，硬度測量頭位于垂直移動單元的下端，壓痕測量裝置的顯示器位于門架立柱上，壓痕測量頭安裝在硬度測量頭旁側。載物車的移動、垂直移動單元沿門架橫梁的移動及測量頭的垂直移動都可以在計算機的控制下按照預先設置的坐標自動完成。力傳感器測出試驗力，由電腦控制伺服電機實現力的閉環控制。測量時測量頭可以自動完成下移、加力、保持試驗力、卸力、回到初始位置等動作。壓出壓痕后，壓痕測量頭自動移動到壓痕上方，顯示器上立刻顯示出壓痕圖像、壓痕直徑和對應的布氏硬度值。在電控柜的觸摸屏上可以進行參數設置，也可以進行測量值校正。門式布氏硬度機的突出特點是應用起來比較靈活。在不采用底臺的情況下，原則上軌道長度可以任意設計，可以一直通到熱處理爐旁邊。載物車可以用一臺，也可以用兩臺。用一臺時可以測試一件大型零件，用兩臺時可以測試一件大軸、大軋輥或大型鋼管，載物車上還可以設計翻轉機構，這樣就可以測試一件大軸曲面上的任意部位。門架的高度和寬度以及測量頭垂直移動距離，在一定范圍內都可以按需設計。當被測件是同一規格的多件工件時，在滿足工件擺放到同一位置、同一角度、打磨同一區域的條件下，可以在測試完成第一件工件之后將測試點的坐標輸入機器，在此后的測試中，機器可以自動按照坐標尋找測試點，自動完成后續測試。門式布氏硬度機在配備自動銑削單元后可以被設置在一條自動化生產線上，與探傷設備串聯起來，作為自動檢測線的一部分，載物車可以被一套自動輸送設備和翻轉機構代替。

5 結束語

由于硬度檢測技術的快速進步，以往被認為比較難于解決的現場布氏硬度檢測問題已經得到了較好的解決。目前，對于某一個產品的現場硬度檢測問題常常可以有不同的解決方案可供選擇，在許多情況下，可以不再采用里氏硬度計那種不規范的、精度低、可靠性差、容易引起供需雙方爭議的硬度計來代替布氏硬度計。新型現場布氏硬度在線自動檢測設備的使用可大大提高企業的質量管理水平，促進相關產品的技術進步。

參考文獻

[1]李久林《金屬硬度試驗方法實施指南》