布氏硬度计(GB/T231.1—2002)
1. 布氏硬度计原理
对直径为D的硬质合金球压头施加规定的试验力,使压头压入试样
面,经规定的保持时间后, 除去试验力,测量试样表面的压痕直径d,布氏硬度用试验力除以压痕表面积的商来计算。
HB =F / S ……………… (1)
=F /πDh ……………… (2)
=0.102×2F /πDh ……………… (3)
=0.102× 2F/ πD (D— ) ……………… (4)
式中:F —— 试验力,N;
S —— 压痕表面积,mm;
D —— 球压头直径,mm;
h —— 压痕深度, mm;
d —— 压痕直径,mm
2. 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。
布氏硬度试验的缺点是压痕较大,成品检验有困难,试验过程比洛氏硬度试验复杂,要分别完成测量操作和压痕测量,因此要求操作者具有一定的经验。
3. 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、钢材和经过调质热处理的半成品工件,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。
4. 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。
布氏硬度试验最常用的试验条件是采用10mm直径的球压头,3000kg试验力。这一条件能够最大限度地体现布氏硬度的特点。但是由于试样材质不同,硬度不同,试样大小,薄厚也不同,一种试验力,一种压头自然不能满足要求。在试验力和压头球直径的选择方面需要遵循以下两个规则:
4.1 规则一,要使试验力和球压头直径的平方之比为一个常数。即
F/D2=F1/D12 = F2/D22 =K …….……… (5)
图2布氏硬度压痕相似原理
这个规则来源于相似律。根据布氏硬度试验的相似律,在图2中不同直径的球压头D1 、D2 在不同的试验力F1 、F2作用下压入试样表面,压痕直径d1、d2是不同的,但是只要压入角Ø1、Ø2相同,压痕就具有相似性。这时试验力和压头球直径的平方之比就是一个常数。在这种条件下,采用不同的试验力和不同直径的球压头,在同一试样上测得的硬度值是相同的,在不同的试样上测得的硬度值是可以 相互比较的。
试验力与压头球直径平方之比在采用公斤力的旧
中表示为F/D2,在采用牛顿力的新标准中表示为0.102 F/D2。
测试钢铁材料,通常采用3000kg力,10mm球的试验条件,有
K=F/D2=30
测量范围为100~650HBW。根据相似律,采用750kg力,5mm球;187.5kg力,2.5mm球;1850kg力,7.26mm球时,K值都是30,测量范围也都是100~650HBW,各种不同组合在测试同一试样时,其硬度值应该是相等的。
4.2 规则二,试验后要使压痕直径处于以下范围内:
0.24D≤d≤0.6D …………………(6)
否则试验结果是无效的,应选择合适的试验力重新试验。人们的大量试验表明,当压痕直径在 0.24D~0.6D之间时,测得的硬度值与试验力大小无关。
布氏硬度试验可选择的试验力从3000kg到1kg大约有20个级别。布氏硬度试验可选择的压头直径为Ø10mm、Ø5mm、Ø2.5mm、Ø1mm共4种。
布氏硬度试验可选择的0.102F/D2值为30、15、10、5、2.5、1共6种。
标准GB/T231.1—2002中规定的试验条件如表1所示。
表1布氏硬度试验条件
硬度符号
球直径
D/mm
试验力-压头球
直径平方的比率
0.102F/ D2
试验力
F/N
HBW10/3000
HBW10/1500
HBW10/1000
HBW10/500
HBW10/250
HBW10/100
HBW5/750
HBW5/250
HBW5/125
HBW5/62.5
HBW5/25
HBW2.5/187.5
HBW2.5/62.5
HBW2.5/31.25
HBW2.5/15.625
HBW2.5/6.25
HBW1/30
HBW1/10
HBW1/5
HBW1/2.5
HBW1/1
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
14710
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
标准GB/T231.1—2002中规定试验力和压头直径平方之比(0.102F/D2)应按材料的种类和硬度范围来选择,如表2所示。
表2试验力—压头直径平方之比的选择
材料
布氏硬度范围
HRW
试验力-压头球直径平方的比率
0.102F/D2
钢、镍合金、钛合金
30
铸铁1)
<140
≥140
10
30
铜及铜合金
<35
5
35~200
10
>200
30
轻金属及合金
<35
2.5
35~80
5
10
15
>80
10
15
铅、锡
1
1)对于铸铁的试验,压头球直径一般为2.5mm,5mm和10mm。
标准GB/T231.1—2002中规定,对于钢只有一种选择,就是0.102F/D2=30,对于其他材料,根据其不同的硬度范围,有2~3种0.102F/D2值可供选择。
4.3布氏硬度试验条件的选择过程:
4.3.1根据材料种类和硬度范围, 按表2选择0.102F/D2值,一般较硬的材料选择较高的0.102F/D2值,较软的材料选择较低的0.102F/D2值,钢铁材料只选择0.102F/D2=30一个值。
4.3.2根据试样的厚度和大小选择压头直径D和试验力F,对于较厚、较大的试样,应尽量选用Ø10mm的压头和相应的试验力,因为这样最能体现布氏硬度计的特点。对于较薄、较小的试样,应选用较小的压头和较小的试验力。以保证满足布氏硬度试验关于“试样厚度应大于压痕深度的8倍”的要求。
4.3.3完成上述选择之后应进行初步试验,确定压痕直径是否满足0.24D
方法得到近似的强度值,这样既可以提高工作效率,又可以节省材料。
部分金属材料的换算关系如表3所示。
表3部分金属硬度与强度换算关系:
材 料
布氏硬度值
近似换算关系
钢
125~175
>175
σb≈0.343HB×10MN/m2
σb≈0.363HB×10MN/m2
铸铝合金
σb≈0.26HB×10MN/m2
退火黄铜、青铜
σb≈0.55HB×10MN/m2
冷加工后的黄铜、青铜
σb≈0.40HB×10MN/m2
作者:沈阳天星试验仪器有限公司 张凤林
时间:2006.9.10
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