影響布氏硬度試驗結(jié)果的因素分析

黑龍江省農(nóng)業(yè)機械試驗鑒定站

□ 李曉東

硬度是材料力學(xué)性能試驗中最常用的性能指標(biāo)之一，硬度試驗又是目前力學(xué)性能試驗中一種最為簡單和迅速的方法。硬度的定義是材料在一定條件下抵抗另一種本身不會發(fā)生殘余變形的物體壓入的能力，因此就被測材料而言，硬度是代表著在一定的壓頭和在試驗力的作用下，所反映出的材料的彈性、塑性、強度、韌性以及耐磨性能等一系列不同物理性能的綜合指標(biāo)。

目前，常用的硬度試驗方法有布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度、表面洛氏和肖氏硬度試驗等。布氏硬度試驗是目前世界上使用最頻繁、應(yīng)用最廣泛的方法之一。只有根據(jù)被測零件的材料種類和大致硬度值選擇合適的試驗方法和試驗條件，對試驗結(jié)果進行正確處理并認真分析影響硬度試驗結(jié)果的主要因素，才能大大提高硬度測量的準(zhǔn)確性，保證檢測數(shù)據(jù)的真實性和有效性。因此筆者以布氏硬度試驗為例，探討影響其試驗結(jié)果的因素以及測量過程中應(yīng)注意的問題。

一、試驗原理及表示方法

試驗時，對一定直徑的硬質(zhì)合金球施加試驗力壓入零件表面，經(jīng)規(guī)定保持時間后，卸出試驗力，測量零件表面壓痕的直徑。

布氏硬度與試驗力除以壓痕表面積的商成正比。壓痕被看作是具有一定半徑的球形，壓痕的表面積通過壓痕的平均直徑和壓頭直徑計算得到。

GB/T 231.1—2009規(guī) 定：布氏硬度用符號HBW表示。符號HBW前面為硬度值，符號后面表示試驗條件的指標(biāo)。

例如，600HBW1/30/20 表示用直徑1mm的硬質(zhì)合金球在294.2N試驗力下保持20s時間測定的布氏硬度值為600。

二、試驗結(jié)果及處理

1.布氏硬度試驗后，檢查零件背面及邊緣，若發(fā)現(xiàn)零件背面出現(xiàn)變形痕跡或邊緣鼓脹變形，則試驗結(jié)果無效。試驗力選擇應(yīng)保證試驗后壓痕直徑在0.24D～0.60D（D為球直徑）之間。從壓痕相似原理出發(fā)，將根據(jù)零件尺寸選擇壓頭球直徑（優(yōu)先選擇10mm）。當(dāng)壓頭球直徑確定后，根據(jù)試驗材料種類和硬度選擇0.102 F/D2，根據(jù)0.102F/D2選擇試驗力，見表1。

表1 不同材料的試驗力—壓頭球直徑平方的比率

2.用讀數(shù)顯微鏡或萬能工具顯微鏡等應(yīng)在兩個相互垂直方向測量壓痕直徑。用兩個讀數(shù)的平均值計算布氏硬度值，或按GB/T 231.4—2009查得布氏硬度值。

3.計算的布氏硬度值或3點布氏硬度平均值等于或大于100時，修約至整數(shù)；等于或大于10而小于100時，修約至一位小數(shù)；小于10時，修約至兩位小數(shù)。修約方法按照GB/T 8170—2008的規(guī)定進行。

4.表示測量結(jié)果時應(yīng)依據(jù)GB/T 231.1—2009和JJF 1059.1—2012給出測量不確定度。

三、影響布氏硬度試驗結(jié)果的因素分析

1.試驗力的影響

布氏硬度計的試驗力誤差對試驗結(jié)果有影響。大量試驗數(shù)據(jù)表明，布氏硬度值的變化與試驗力誤差呈線性關(guān)系，即試驗力的實際示值與標(biāo)準(zhǔn)值之差的相對百分數(shù)直接影響布氏硬度值的準(zhǔn)確性。

當(dāng)球體壓頭直徑一定而改變試驗力時，由于產(chǎn)生了壓痕及應(yīng)力狀態(tài)的變化，導(dǎo)致所測得的硬度值有較大差異。對于布氏硬度值大于140HB的情況，0.102F/D2值在5～30范圍內(nèi)，硬度值隨著試驗力的增加而提高。因此，要取得準(zhǔn)確、可靠的試驗結(jié)果，使試驗數(shù)據(jù)具有可比性，必須嚴格地按試驗要求，在確定球體壓頭直徑D后，合理選擇0.102F/D2值進行試驗。

2.球體直徑公差的影響

在布氏硬度試驗中，球體壓頭是標(biāo)準(zhǔn)化工具之一。所以球體直徑公差盡可能控制在小的范圍內(nèi)，球的直徑應(yīng)為在球的不少于三個位置上測量的單個測量值的平均值，每一個單個測量值與其標(biāo)稱直徑之差均不應(yīng)超過不同球直徑的允差，因為當(dāng)球體直徑大于標(biāo)稱直徑時，試驗得到的壓痕直徑偏大，使布氏硬度值偏低，對于低硬度值影響較大。

3.試驗力保持時間的影響

試驗力保持時間的長短在一定范圍內(nèi)對布氏硬度試驗結(jié)果是有影響的。在試驗力保持時間的前幾秒鐘，由于零件的變形，硬度值變化很快，隨著時間的延長逐漸緩慢。對于高、中、低硬度的零件，試驗方法只規(guī)定了試驗力保持時間為10s—15s。圖1—圖3為試驗力保持時間對不同材料布氏硬度值的影響。

圖1 試驗力保持時間對標(biāo)準(zhǔn)塊硬度示值的影響

圖2 試驗力保持時間對45鋼硬度示值的影響

圖3 試驗力保持時間對鋁硬度示值的影響

此外，零件組織不均勻，壓痕距離、溫度、加力速度及試驗力保持時間等對布氏硬度測量結(jié)果也都有影響，將在后續(xù)試驗中進行研究。

四、布氏硬度測量時應(yīng)注意的問題

1.測量前，應(yīng)使用依照GB/T 231.3—2012標(biāo)定過的標(biāo)準(zhǔn)硬度塊上的標(biāo)準(zhǔn)壓痕進行壓痕測量裝置的間接檢驗。壓痕測量值應(yīng)與標(biāo)準(zhǔn)硬度塊證書上的標(biāo)準(zhǔn)值相差在0.5%以內(nèi)。如果測量裝置不能滿足上述要求，應(yīng)采取相應(yīng)措施。

2.測量前，應(yīng)在按照GB/T 231.3—2012標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)硬度塊上至少打一個壓痕。如果測量的硬度（平均）值與標(biāo)準(zhǔn)硬度塊標(biāo)準(zhǔn)值的差值在GB/T 231.2—2012中給出的允許誤差之內(nèi)，則硬度計被認為是滿意的。如果超出，應(yīng)立即進行間接檢驗。

3.測量時必須保證壓頭與零件表面接觸，無沖擊和振動地垂直于試驗面施加試驗力，直至達到規(guī)定試驗力值。從加力開始至全部試驗力施加完畢的時間應(yīng)在2s—8s之間。試驗力保持時間為10s—15s。對于要求試驗力保持時間較長的材料，試驗力保持時間允許誤差為在±2s以內(nèi)。

4.更換壓頭或工作臺應(yīng)先測量幾次，至少預(yù)壓兩個壓痕以保證零件和壓頭處于穩(wěn)定狀態(tài)，然后方可正式進行硬度測量。選擇的標(biāo)準(zhǔn)硬度塊應(yīng)與測量材料的硬度接近，在標(biāo)準(zhǔn)硬度塊表面均勻分布地測定5點硬度值，如果硬度讀數(shù)的平均值與標(biāo)準(zhǔn)硬度值之差在GB/T 231.2—2012表2中規(guī)定的范圍之內(nèi)時，則認為硬度計合格，如果超差，應(yīng)進行直接檢驗（試驗力的校準(zhǔn)、壓頭的檢驗、壓痕測量裝置的校準(zhǔn)和試驗循環(huán)時間的檢驗）。

5.經(jīng)機加工的零件要保證試驗面與支承面平行。對于不規(guī)則的零件，應(yīng)根據(jù)其特殊形狀，制作合適的零件支承臺；對于較長零件，應(yīng)備有專用的支撐架以保證零件平穩(wěn)地置于試臺上。

6.零件的表面粗糙度值Ra一般不大于1.6μm，零件厚度至少應(yīng)為壓痕深度的8倍。任一壓痕中心距零件邊緣距離至少應(yīng)為壓痕平均直徑的2.5倍；兩相鄰壓痕中心間距離至少應(yīng)為壓痕平均直徑的3倍。

五、結(jié)語

布氏硬度試驗結(jié)果的影響因素主要有試驗力的影響、球體直徑公差的影響以及試驗力保持時間的影響等；在布氏硬度測量時應(yīng)注意硬度計的檢驗、試驗力的保持時間、零件表面粗糙度、壓痕位置以及零件的表面狀態(tài)以及硬度計主軸傾斜、零件被測表面傾斜等都對試驗結(jié)果有一定程度的影響，試驗時應(yīng)予以重視。Θ