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布氏硬度计原理
更新时间：2013-06-26      阅读：1252

 　　布氏硬度计原理

　　用一定直径的钢球或硬质合金球，以规定的试验力压入式样表面，经规定保持时间后卸除试验力，测量试样表面的压痕直径。布氏硬度值是以试验力除以压痕球形表面积所得的商。以HBS（钢球）表示，单位为N/mm2（MPa）。
　　测定布氏硬度较准确可靠，但一般HBS只适用于450N/mm2（MPa）以下的金属材料，对于较硬的钢或较薄的板材不适用。在钢管标准中，布氏硬度用途广，往往以压痕直径d来表示该材料的硬度，既直观，又方便。
　　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10 mm直径球压头，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，测量操作和压痕测量都比较费时，并且由于压痕边缘的凸起、凹陷或圆滑过渡都会使压痕直径的测量产生较大误差，因此要求操作者具有熟练的试验技术和丰富经验，一般要求由专门的实验员操作。
　　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和软钢，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。
　　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的规则有2个。
　　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。这个规则来源于相似律。根据相似律，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标准中表示为F/D2。在采用牛顿力的新标准中表示为0.102 F/D2。
　　规则二：试验后要使压痕直径处于以下范围：0.24D < d < 0.6D。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，当压头直径在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
　　本检定系统规定了布氏硬度计量基准器具和计量标准器具的用途、组成、计量特性和检定程序，以及工作用计量器具的计量特性和检定方法。
　　一、计量基准器具
　　1、 国家基准
　　1.1国家基准的用途
　　国家基准用于布氏硬度单位的复现和保存。
　　1.2国家基准由下列计量器具组成：
　　A直接加荷式的硬度机，其试验力误差δf≤±0.1%，试验力按下表见其构成。
　　B测量压痕直径的显微镜
　　显微镜标尺的刻度，对于用10和5mm直径球压头打压的压痕应能读到0.002mm；对用于等于和小于2.5mm直径球压头打压的压痕应能读到0.001mm。
　　显微镜任何两刻线的读数之差：
　　对于10和５mm直径的球压头应到±0.002mm以内。
　　对于等于和小于2.5mm直径的球压头应到±0.001mm以内
　　C压头
　　基准硬度机的压头有1，2，2.5，5，10mm五种钢球和硬质合金球。其球的直径误差、硬度值、粗糙度应满足下表要求。
　　1.3国家基准复现的布氏硬度范围为
　　8--650HBS（W）
　　1.4国家基准的不确定度
　　对试验力等于或大于1839N（187.5kgf）级的不确定度：
　　δ≤0.5%

硬度符号

球直径D
mm

0102F/D2
（F/D2）

试验力F
（KGF）

HBS（HBW）10/3000

10

30

29.42×103（3000）

HBS（HBW）10/1500

10

15

14.71×103（1500）

HBS（HBW）10/1000

10

10

9.807×103（1000）

HBS（HBW）10/500

10

5

4.903×103（500）

HBS（HBW）10/250

10

2.5

2.452×103（250）

HBS（HBW）10/125

10

1.25

1.226×103（125）

HBS（HBW）10/100

10

1

980.7　　（100）

HBS（HBW）5/750

5

30

7.355×103（750）

HBS（HBW）5/250

5

10

2.452×103（250）

HBS（HBW）5/125

5

5

1.226×103（125）

HBS（HBW）5/62.5

5

2.5

612.9　　（62.5）

HBS（HBW）5/31.25

5

1.25

306.5　　（31.25）

HBS（HBW）5/25

5

1

245.2　　（25）

HBS（HBW）2.5/187.5

2.5

30

1.839×103（187.5）

HBS（HBW）2.5/62.5

2.5

10

612.9　　（62.5）

HBS（HBW）2.5/31.25

2.5

5

306.5　　（31.25）

HBS（HBW）2.5/15.625

2.5

2.5

153.2　　（15.625）

HBS（HBW）2.5/7.8125

2.5

1.25

76.61　　（7.8125）

HBS（HBW）2.5/6.25

2.5

1

61.29　　（6.25）

HBS（HBW）2/120

2

30

1.177×103（120）

HBS（HBW）2/40

2

10

392.3　　（40）

HBS（HBW）2/20

2

5

196.1　　（20）

HBS（HBW）2/10

2

2.5

98.07　　（10）

HBS（HBW）2/5

2

1.25

49.03　　（5）

HBS（HBW）2/4

2

1

39.23　　（4）

HBS（HBW）1/30

1

30

294.2　　（30）

HBS（HBW）1/10

1

10

98.07　　（10）

HBS（HBW）1/5

1

5

49.03　　（5）

　

球直径
mm

误差
mm

硬度值

粗糙度Ry
μm

10

±0.003

HV10850（钢球）

HV1500（硬质合金球）

0.050

5

±0.002

2.5

±0.001

2

±0.001

1

±0.001


　　对试验力小于1839N（187.5kgf）级的不确定度：

　　δ≤1.0%

　　2、国家副基准

　　2.1国家副基准在全国复现布氏硬度单位的地位仅次于国家基准。

　　2.2组成国家副基准的全套计量器具的技术要求与国家基准相同。

　　2.3国家副基准复现布氏硬度范围为

　　8--650HBS（W）

　　2.4国家副基准的不确定度

　　国家副基准的不确定度与国家基准的不确定度相等。

　　3、工作基准

　　3.1工作基准经与国家工准校准或比对，并经国家鉴定，在全国复现布氏硬度单位的地位仅在国家基准和副基准之下。

　　3.2工作基准复现布氏硬度范围为

　　8--650HBS（W）

　　3.3工作基准的不确定度

　　对试验力等于或大于1839N（187.5kgf）级的不确定度：

　　δ≤0.7%

　　对试验力小于1839N（187.5kgf）级的不确定度：

　　δ≤1.2%

　　4、比对

　　在规定条件下，对国家基准、副基准和工作基准之间的量值进行比较，这种比较将通过比对硬度块实现。

　　比对硬度块的允许误差△为：

　　△≤±0.5%

　　比对硬度块的均匀度U为：

　　29420N（2000kgf）时，

　　U≤±0.5%

　　小于29420N（3000kgf）时，

　　U≤±1.0%

　　二、计量标准器具

　　5、标准布氏硬度块的示值误差

　　标准布氏硬度块经基准检定，其示值误差（传递误差）为：

　　δ标≤±1.5%；2.0%；3.0%

　　6、标准布氏硬度块的均匀度U为：

　　30D2　　HBS（W）10/3000/30　　　150-250　　U≤2.0%

　　HBS（W）5/750/30　　　　150-250　　U≤2.5%

　　HBS（W）2.5/187.5/30　　150-250　　U≤3.0%

　　10D2　　HBS（W）10/1000/30　　　75-125　　U≤3.0%

　　HBS（W）5/250/30　　　　75/125　　U≤3.0%

　　HBS（W）2.5/62.5/30　　　75-125　　U≤4.0%

　　2.5D2　　HBS（W）2.5/15.6/60　　25-35　　　U≤5.0%

　　7、标准布氏硬度块的稳定度

　　HBS（W）150-250时，应不大于1.0%

　　HBS（W）75-125时，应不大于1.5%

　　HBS（W）25-35时，应不大于3.0%

　　三、工作用计量器具

　　用符合JJG150-83金属布氏硬度计检定规程GB6269-86布氏硬度计技术条件中所规定的布氏硬度计作工作用计量器具。

　　工作用布氏硬度计示值误差△为

　　△≤±3.0%

　　布氏硬度计因能测出试样较大范围的硬度值，因而广泛应用于生产中对未经淬火钢、铸铁、有色金属及质地较软的轴承合金等的布氏硬度值测定。本文以HB3000布氏硬度计为例，谈谈一些常见故障及排除方法。

　　1、载荷误差超过±1.0%或不稳定

　　造成这种故障的原因及排除方法：（1）力点刀刃松动，应调整力点刀刃并拧紧；（2）力点刀刃和支点的磨损会不同程度地增加载荷误差，应研修刀刃；（3）载荷杠杆上的调整块位置不适当，可根据情况向前或向后移动，调整合适后固定紧；（4）压缩弹簧锈蚀，增大了与、主轴衬套的磨擦，应清洗生锈部位并上防护油或更换之。（5）加荷不平稳，有冲击振动现象，应排除引起不平稳的因素。

　　2、加荷速度不能控制在规定的时间内

　　加荷速度过快或过慢，主要是减速器用油粘度过小或过大，应清洗减速器，并更换减速器用油。

　　3、测定的硬度值与标准硬度块示值不一致

　　造成这种故障的原因及排除方法：（1）硬度计安装不水平，应将硬度计调至水平；（2）钢球表面不光洁或直径超过允差，应用千分尺挑选合格的钢球换上；（3）压痕测量装置误差偏大，应调整压痕测量装置的允许误差，使其≤±0.5%；（4）砝码不能垂直放置，砝码与硬度计后盖擦靠，应检查吊环是否挂在重点刀刃上，吊架吊杆是否平直，否则应将吊环挂于重点刀刃上，校直吊架吊杆；（5）主轴与试台平台垂直度，主轴轴线与升降丝杆轴线同轴度超差，应分析视其情况进行主轴与试台平台垂直度、主轴轴线与升降丝杆轴线同轴度的调整。

　　4、硬度计反复加卸载荷

　　造成这种故障的原因及排除方法：（1）按键开关顶杆过长，转向开关A、B触点与A1、B1触点不能脱开，应调节顶杆长度并固定之；（2）换向开关安装位置不当，活动挡板不能触动换向开关上的销子，造成换向开关不换向，应调整换向开关的安装位置。

　　5、硬度计载荷全部加上时停机

　　此种故障原因为换向开关接触点有烧伤、烧蚀现象，造成接触点接触不良，应对接触点加以清理打磨或更换新的换向开关。

　　6、按键开关按下，硬度计不动作，但有嗡嗡的电流声

　　此种故障原因为电机缺相，应检查电源是否正常，电源插头是否插好，电缆线是否有断路，电源开关是否完好，电机接线是否接牢，电机线圈是否烧坏一组以及换向开关触点接触是否良好等，应视其情况分别予以排除.

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