布氏硬度輔導講義

1、2.3.1金屬布氏硬度試驗2.3.1.1 試驗標準n中國國家標準GB/T231.1-2009金屬布氏硬度試驗 第1部分：試驗方法n國際標準ISO6506-1（2005）Metallic materialsBrinell hardness testPart1： Test methodn國外標準ASTM E10-08（2008）Standard Test Method for Brinell hardness Vickers of Metallic Materials2.3.1.2試驗原理（1）布氏硬度試驗原理n對一定直徑硬質(zhì)合金球施加試驗力壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時間后，卸除試驗力，測量出試樣表

2、面的壓痕直徑(見圖1)。 圖1布氏硬度試驗原理 （1）布氏硬度試驗原理n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。 （1）n n式中F試驗力，N；nS壓痕表面積，mm2；nD硬質(zhì)合金球直徑，mm；nh一壓痕深度，mm。0.1020.102FFHBWSDh（1）布氏硬度試驗原理在實際試驗時，由于壓痕深度h測量比較困難，而測量壓痕直徑d比較方便，因此將1式中h換算成d的關(guān)系 h= (2)代入1式得: HBW= (3)3式中只有d是變數(shù)，試驗時只要測量出壓痕直徑d，可通過計算或查布氏硬度數(shù)值表即可得出HBW值。222D

3、Dd2220.102()FD DDd（2）.布氏硬度壓痕相似原理 n布氏硬度試驗中只有在試驗力和壓頭直徑恒定的條件下所測得的硬度值才具有可比性。然而實際情況是，所測試金屬材料有硬有軟，試件有厚有薄，有大有小，如果只采用一種標準的試驗力和壓球直徑，就會出現(xiàn)對硬的材料合適，而對軟的材料會發(fā)生壓球陷入金屬材料內(nèi)的現(xiàn)象；對厚的材料合適，而對薄的材料可能發(fā)生壓透的現(xiàn)象。因此在布氏硬度試驗時，要求根據(jù)試樣的材料硬度和厚度，選用大小不同的試驗力和壓頭直徑。在這種情況下，為了使得同一材料的試樣所測得的布氏硬度值相同，或在不同的試樣上所測得的結(jié)果具有可比性，就必須應用“壓痕相似原理”來解決。n圖2所示的兩個不同

4、直徑D1和D2的球體，分別在不同的試驗力F1和F2作用下壓入試樣表面的情況。由圖可見，只有在壓入角（即通過壓痕直徑兩端所引球體半徑的夾角）保持不變的條件下，才能使所測定的硬度值相同。F與D之間必須保持一定的制約關(guān)系。（2）.布氏硬度壓痕相似原理圖2 壓痕相似原理（2）.布氏硬度壓痕相似原理從圖2看出，d與壓入角有下列幾何關(guān)系：d=Dsin代入式（3）得：HBW= (4)由上式可見，要保證對同一材料測得的布氏硬度值相同，必須使壓入角為常數(shù)，此外還必須使F/D2值為常數(shù)。但是F/D2值與并不是相互獨立的參量，它們之間也存在一定關(guān)系。2220.102(11 sin)2FD2根據(jù)大量試驗結(jié)果可以證明：

5、 (5)式中A是與材料有關(guān)的常數(shù)。由此可見，試驗時只要保持F/D2值為一常數(shù)，就可使壓入角保持不變，從而保證得到幾何相似的壓痕。注：為了得到準確的試驗結(jié)果，除F與D應滿足這一選配原則外， 還應通過F與D的選擇使壓痕直徑d限定在0.24D0.60D之間，否則試驗結(jié)果無效。 2sin2FAD（2）.布氏硬度壓痕相似原理(3).利用布氏硬度壓痕深度與硬度標準塊的對應關(guān)系測量布氏硬度的方法原理n在規(guī)定的條件下，將硬質(zhì)合金球頭壓入材料表面，測量壓入的深度，對比深度與硬度值關(guān)系曲線，從而得到硬度值的全過程。深度的測量可采用直接測量壓痕的深度或測量在一定初試驗力下壓頭的位置與在工作試驗力下壓痕最深點的位置之

6、差。n 此方法是被用來進行布氏硬度快速測試的方法，如：工件經(jīng)熱處理后的布氏硬度快速測試。2.3.1.3布氏硬度表示方法n布氏硬度用符號HBW表示。n符號HBW之前書寫硬度值，符號后面依次表示球體直徑、試驗力及試驗力保持時間。當試驗力保持時間為10s-15s時不標注。例如264HBW5/750表示用直徑為5mm的硬質(zhì)合金球在7.355kN(750kgf)試驗力作用下，保持10s15s測得的布氏硬度值為264。2.3.1.4試驗方法(1)術(shù)語符號及相關(guān)說明1.硬度 材料抵抗永久壓痕變形的能力。2.布氏硬度 將一定直徑硬質(zhì)合金球壓頭用一定的試驗力壓入試樣表面，材料產(chǎn)生永久壓痕變形的度量單位。3.布氏

7、硬度計 用于布氏硬度試驗的試驗機。4.壓頭 在布氏硬度試驗過程中，用以施加試驗力的一定直徑硬質(zhì)合金球壓頭。5.壓痕 在布氏硬度試驗中由壓頭在材料表面上產(chǎn)生的印痕。(1)術(shù)語符號及相關(guān)說明6.直接檢驗 測定布氏硬度計的主要部件或參數(shù)（所加力的最大誤差、測量的壓痕直徑、壓頭的幾何尺寸、試驗循環(huán)等參數(shù)）是否在規(guī)定允差之內(nèi)的操作過程。7.間接檢驗 使用標準塊進行測量以測定布氏硬度計性能的操作過程。8.標準塊 用于布氏硬度計間接檢驗，帶有檢定合格的壓痕值，塊狀的標準物質(zhì)。(1)術(shù)語符號及相關(guān)說明9.試驗力 在試驗或標定過程中施加的規(guī)定力值。10.試驗力施加時間 對材料施加試驗力開始直到達到規(guī)定試驗力的時

8、間段。11.試驗力保持時間 在布氏硬度試驗過程中，保持試驗力恒定的時間段，該時間從施加到規(guī)定試驗力時起至該力卸除開始時止。12.試驗循環(huán) 在布氏硬度試驗過程中，施加和卸除試驗力的速率以及試驗力的保持時間。布氏硬度所用符號及名稱 n符號 單位 名稱nF N 試驗力nD mm 球直徑nD mm 壓痕平均直徑nd1，d2 mm 在兩相互垂直方向測量的壓痕直徑 nh mm 壓痕深度nHBW 布氏硬度=常數(shù)試驗力/壓痕表面積 =0.102F/dh n0.102F/D2 試驗力-球直徑平方的比率(2)適用范圍：n布氏硬度適用于退火、正火狀態(tài)的鋼鐵件、鑄鐵、有色金屬及其合金，特別對較軟金屬，如鋁合金等更為適

9、宜。n布氏硬度試驗時一般采用較大直徑球體壓頭，所得壓痕面積較大，因而測得的硬度值能反映金屬在較大范圍內(nèi)各組成相的平均性能，而不受個別組成相及微小不均勻性的影響。壓痕較大的另一優(yōu)點是所測試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復性強。n布氏硬度的缺點是對不同的材料需要更換壓頭和改變試驗力，壓痕直徑的測量也較麻煩，效率不高。同時，由于壓痕較大，對成品件不宜采用。(3).試驗設(shè)備要求圖4 布氏硬度計試驗力的誤差n測量的各級試驗力的誤差均應在規(guī)定的試驗力標稱值的土1%以內(nèi)n變動度不大于1 不同球直徑的允差 單位為毫米 球 直 徑 允差10 0.0055 0.0042.5 0.0031 0.003 硬質(zhì)合金球的特性應滿足下列要

10、求:維氏硬度不應低于1500HV10密 度 :=(14.8士0.2)g /cm3。壓痕測量裝置的校準 n壓痕測量裝置的標尺分度應能估測到壓痕直徑的0.5%以內(nèi)。n將測量裝置各工作范圍至少分成五個間隔，在分級測微尺上測量進行檢驗，其最大允許誤差為0.5%。n 測量投影區(qū)域時，其最大允許誤差應為1%。間接檢驗n間接檢驗應在(23士5)溫度范圍內(nèi)使用按GB/T 231. 3標定的標準塊進行。如果在該溫度范圍以外進行檢驗，應在檢驗報告中注明。n標準塊的試驗面和支承面與壓頭表面不應有任何腐蝕性污物。n硬度計應針對各級試驗力和所使用的每種規(guī)格的球進行檢驗。對每一試驗力，應從下列硬度范圍中至少選取兩塊標準塊

11、:n 200 HBW;n300HBW400;n500HBW,硬度計的示值重復性和示值誤差 n標準塊硬度 示值重復性的 示值誤差的 n HBW 最大允許值mm 最大允許值 %n 125 0.030d 3n125HBW225 0.025d 2.5n225 0.020d 2 (4)試樣的準備 n試樣的表面應平坦和光滑，并且不應有氧化皮及外界污物，尤其不應有油脂。試驗表面應能保證壓痕直徑精確地測量，試驗表面粗糙度Ra一般應不大于1.6m。n制備試樣時，應使過熱或冷加工等因素對表面性能的影響減至最小。n試樣厚度至少應為壓痕深度的8倍。試樣最小厚度與壓痕平均直徑的關(guān)系見GB/T231.1-2009附錄B。

12、n試驗后，試樣背面如出現(xiàn)可見變形痕跡，則表明試樣厚度太薄。試樣舉例n例：有一鈦合金板，試樣厚度4mm，壓頭直徑為10mm；在29420N試驗力作用下；測得壓痕直徑d3.30mm，試確定試樣厚度是否滿足試驗要求。解：由公式()可求得壓痕深度h：h= = =0.25mm由試樣厚度H8h，則試樣的最小厚度H80.25mm2mm因4mm2mm，所以試樣厚度滿足要求。222DDd2210103.32(5) 試驗條件 n試驗應在1035室溫下進行。對溫度有較高要求的試驗，室溫應控制在235。球壓頭與試驗力的組合1 符號 壓頭D F/D2 試驗力F /mm /NHBW10/3000 10 30 29420H

13、BW10/1500 10 15 14710HBW10/1000 10 10 9807HBW10/500 10 5 4903HBW10/250 10 2.5 2452HBW10/100 10 1 980.7球壓頭與試驗力的組合2符號 壓頭D F/D2 試驗力F /mm /NHBW5/750 5 30 7355HBW5/250 5 10 2452HBW5/125 5 5 1226HBW5/62.5 5 2.5 612.9HBW5/25 5 1 245.2球壓頭與試驗力的組合3符號 壓頭D F/D2 試驗力F /mm /NHBW2.5/187.5 2.5 30 1839HBW2.5/62.5 2.5

14、 10 612.9HBW2.5/31.25 2.5 5 306.5HBW2.5/15.625 2.5 2.5 153.2HBW5/6.25 2.5 1 61.29球壓頭與試驗力的組合4符號 壓頭D F/D2 試驗力F /mm /NHBW1/30 1 30 294.2HBW1/10 1 10 98.07HBW1/5 1 5 49.03HBW1/2.5 1 2.5 24.52 HBW1/1 1 1 9.807（6）試驗程序制作和測量壓痕步驟和相關(guān)要求 1)試樣的支承試樣應穩(wěn)固地放置于剛性支撐物上。加力時試驗力作用方向應與試驗面垂直。2)壓頭的類型選擇布氏硬度試驗應按規(guī)定使用硬質(zhì)合金球壓頭。3)壓頭

15、直徑的確定 試驗時，首先根據(jù)試樣厚度和尺寸來確定球體壓頭直徑。當試驗條件和試樣厚度允許時，應盡量選用直徑10mm壓頭，以便能夠較真實反映金屬平均硬度和便于準確測量較大壓痕。制作和測量壓痕步驟和相關(guān)要求 4）在試驗過程中，若使用的壓頭直徑不能滿足試樣厚度時，應選擇下一檔直徑的球體壓頭。如原直徑10mm的改作直徑5mm。為滿足壓痕直徑幾何形狀相似，當改變壓頭直徑時，應保持原F/D2這一常數(shù)不變。只有在F/D2不變的條件下且采用較小直徑的壓頭測得的較淺壓痕深度使得試樣厚度能滿足試驗要求時，才可與同一材料采用其他壓頭直徑試驗結(jié)果進行比較，這就是相似原理的實際應用。5)試驗力的選擇 當壓頭直徑根據(jù)試樣尺

16、寸確定后，試驗力可根據(jù)F/D2值來確定。F/D2值根據(jù)試驗材料的種類及硬度范圍按表3.10的規(guī)定來選擇，一般較硬的材料應選擇較大的F/D2值。（6）試驗程序硬度符號壓頭直徑Dmm力-直徑比0.102F/D2 N / mm2試驗力名義值F / NHBW10/3000103029420HBW10BW10/1000109807HBW10/50054903HBW10/2502.52452HBW10/1001980.7HBW5/7505307355HBW5/250102452HBW5/12551226HBW5/62.52.5612.9HBW5/251245.2HBW2.5/18

17、7.52.5301839HBW2.5/62.510612.9HBW2.5/31.255306.5HBW2.5/15.6252.5153.2HBW2.5/6.25161.29HBW1/30130294.2HBW1/101098.07HBW1/5549.03HBW1/2.52.524.52HBW1/119.807試驗力的選擇布氏硬度試驗的F/D2值的選擇n如對一銅合金材料進行硬度試驗，采用10mm直徑壓頭，以F/D2為30選擇試驗力為29420N（3000kgf）。但當試驗結(jié)果硬度值低于140HBW時，應保持壓頭直徑不變，以F/D2為10選擇試驗力為9807N(1000kgf)，從而保證硬度較低的

18、材料其壓痕直徑也在所規(guī)定范圍內(nèi)。材料布氏硬度HBW力-直徑比0.102F/D2N / mm2鋼、鎳基合金、鈦合金30鑄鐵a1401014030銅及銅合金355352001020030輕金屬及其合金352.5358051015801015鉛、錫1a對于鑄鐵試驗，壓頭的名義直徑應為2.5mm、5mm、10mm。布氏硬度試驗的F/D2值的選擇n6)試驗力保持時間 從加力開始至全部試驗力施加完畢的時間應在2s8s之間。試驗力保持時間是指從試樣承受全部試驗力瞬間至開始卸除試驗力所經(jīng)歷的時間。大量試驗數(shù)據(jù)表明，試驗力保持時間的長短對布氏硬度值有一定影響，隨著試驗力保持時間的延長，硬度值逐漸降低，經(jīng)過一段時間后趨于穩(wěn)定。為了保證布氏硬度試驗結(jié)果的準確性，須將試驗力保持時間作為試驗參數(shù)加以規(guī)定。（6）試驗程序（6）試驗程序n6)試驗力保持時間n試驗力保持時間主要根據(jù)所測材料及硬度來選定，對于鋼及鑄鐵為10s15s對于較軟的有色金屬為30s2s；對于布氏