布氏硬度试验：原理及应用

6.1.2.1 布氏硬度试验的原理和规定

布氏硬度试验法是对一定直径的硬质合金压头球施加试验力，使其压入试样表面（图6-1），根据布氏硬度与试验力除以压痕面积的商成正比的原理求出布氏硬度值：

式中 HBW——布氏硬度值符号（MPa或E/mm²），布氏硬度值一般不标出单位；

0.102——试验力单位由kgf转换为E后，需要乘以的常数；

F——试验力（E）；

A_凹——表面压痕的凹陷面积（mm²）；

D——硬质合金压头球直径（mm）；

t——压痕凹陷深度（mm）。

图6-1 布氏硬度试验原理示意图

在实际测定时，由于测定t较困难，而测定压痕凹陷直径d却比较容易。因此，要将式中t换成d。这一换算可以从图6-1中△Oab中看出，即可得

式（6-2）中只有d是变数，试验时只要量出d即可计算出HBW值，或根据d值，查表即得HBW值（表6-1）。

由于测试零件厚度和材料硬度的不同，如果只采用一个标准的试验力，则对钢材和厚工件虽然适合，但对软金属（如铝、锡）或薄的工件（如厚度小于2mm）就不适合，这时要根据不同材料和工件厚度，选择不同的F和D的搭配。为了得到统一的、可以比较的HBW值，布氏硬度压痕需遵守相似法则，保证压痕几何形状相似，即保证压入角φ恒定（图6-2）。由图6-2可知，d=Dsin（φ/2），代入式（6-2）可得

式（6-3）表明，假若压力角φ不变，为了使同一材料两者所得HBW相同，则要求试验力-压力球直径平方的比率（F/D²）也应保持为常数，即F₁/D²₁=F₂/D²₂=…=常数。另外，国家标准GB/T 231.1—2009中规定，只有当压痕直径d满足（0.24～0.6）D时，试验结果才有效。在实际应用中，通常规定的F/D²有30、15、10、5、2.5、1共六种，根据金属材料和试样厚度不同分别选用（表6-2、表6-3）。

表6-1 金属布氏硬度（HBW）数值表

注：1.表中压痕直径为ϕ10mm球的试验数值，如用其他尺寸的球试验时，压痕直径应增大相应倍数后在表中查出。

2.表中未列出压痕直径的HBW，可根据上下两数值用内插法计算求得。

图6-2 压痕相似原理

表6-2 不同金属材料的试验力-压头球直径平方的比率

注：1.试验力保持时间为10～15s。

2.表中新标准为GB/T 231.1—2009，旧标准为GB/T 231—1984。

3.对于铸铁的试验，压头球直径一般为2.5mm、5mm和10mm。

表6-3 布氏硬度压痕直径与试样最小厚度的关系（单位：mm）

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注：括号内的数据为旧标准GB/T 231—1984金属布氏硬度试验方法的数据。

由于布氏硬度值与试验规范有关，故其表示方法应能反映规范的内容。布氏硬度表示方法为：①硬度值；②符号HBW；③球直径；④试验力；⑤试验力保持时间（10～15s不标注）。其中后三项之间各用斜线隔开。例如，350HBW5/750表示用直径5mm的硬质合金球在7.355kE试验力下保持10～15s测得的布氏硬度值为350。又如，600HBW1/30/20表示用直径1mm的硬质合金球在294.2E试验力下保持20s测得的布氏硬度值为600。

6.1.2.2 锤击式布氏硬度测试方法

对于大型铸锻件和钢材，可采用轻便的锤击式简易布氏硬度计。这种硬度计的构造和使用示意图如图6-3所示。其主要部分为压头球1、锤击杆5及标准布氏硬度块（标准杆）6。测试时，首先估计被测试工件大致的硬度值，选择与其硬度值相近的标准杆插入硬度计内，然后用锤子敲击锤杆顶端一次。这样，压头球以相等的力同时压入试样和标准杆表面，可分别得压痕直径d和d′。根据式（6-2）可得

表624 锤击式布氏硬度换算值 （单位：mm）

式中 D——压头球直径（mm）；d′、HBW′——分别表示标准杆压痕直径（mm）和硬度值；

d、HBW——分别表示待测试样的压痕直径（mm）和硬度值。

由于D与HBW′为已知值，只要测得d，d′即可算出或查表得到HBW值（表6-4）。

表6-4列出了以标准杆硬度为202HBW时的换算值，若所试标准杆硬度值不为202HBW，则需将表中查出的硬度值乘以系数K，K值可由表6-5查得。此方法简单方便，但精度低（误差为7%～10%），需用标准硬度块经常校准。

图6-3 锤击式简易布氏硬度计

1—压头球 2—球帽 3—握持器 4—弹簧 5—锤击杆 6—标准杆

6.1.2.3 布氏硬度试验的特点及注意事项

1.特点 布氏硬度的优点是其硬度值代表性全面，数据稳定，测量精度较高。因为其压痕面积较大，能反映金属表面较大范围内各组成相综合平均的性能数值，故特别适宜于测定灰铸铁、轴承合金等具有粗大晶粒或粗大组成相的金属材料。

其缺点是试验操作时间较长，对不同材料的试样需要更换不同直径的压头球和改变试验力，压痕测量也较费时间；在进行高硬度材料测试时，由于压头球本身的变形，会使测量结果不准确，因此一般对硬度＞650HBW的材料便不能使用；由于压痕较大，成品检验和薄件试验有困难。

2.注意事项 为了测试的准确性，试验过程中应注意以下事项：

表6-5 锤击式布氏硬度试验中系数K的数值

（1）试样厚度。试样厚度应大于压痕深度的10倍，在压痕相对的一面，不应出现影响加载的弧面等形状。压痕深度t（mm）按式（6-5）计算：

式中 F——试验力（E）；

D——压头球直径（mm）。

（2）试验表面。平整表面能获得最佳结果。半径小于25.4mm（1in）的弧形试验表面不应作试验。

（3）压痕间距。为了测量精度，压痕中心到工件任一边缘的距离应大于压痕直径的3倍，相邻压痕的中心间距也应大于压痕直径的3倍。

（4）表面粗糙度。布氏硬度的精度与压痕的清晰程度有关，表面应当经过切削、研磨或抛光。另外，为了保证测量精度，工件表面必须能代表材料，表面脱碳或表层硬化层必须在试验前清除掉。

（5）砧座。为了保证试验表面与受力垂直定位（误差＜2°）和工件在试验时移动量最小，工件必须正确地放在砧座上。