布氏硬度試驗條件的選擇

布氏硬度計（GB/T231.1—2002）

1. 布氏硬度計原理
     對直徑為D的硬質合金球壓頭施加規定的試驗力，使壓頭壓入試樣表面，經規定的保持時間后， 除去試驗力，測量試樣表面的壓痕直徑d，布氏硬度用試驗力除以壓痕表面積的商來計算。

   圖1布氏硬度試驗原理

      2. 布氏硬度計的特點
      布氏硬度試驗的優點是其硬度代表性好，由于通常采用的是10mm球壓頭，3000kg試驗力，其壓痕面積較大，能反映較大范圍內金屬各組成相綜合影響的平均值，而不受個別組成相及微小不均勻度的影響，因此特別適用于測定灰鑄鐵、軸承合金和具有粗大晶粒的金屬材料。它的試驗數據穩定，重現性好，精度高于洛氏，低于維氏。此外布氏硬度值與抗拉強度值之間存在較好的對應關系。
      布氏硬度試驗的缺點是壓痕較大，成品檢驗有困難，試驗過程比洛氏硬度試驗復雜，要分別完成測量操作和壓痕測量，因此要求操作者具有一定的經驗。
      3. 布氏硬度計的應用
      布氏硬度計主要用于組織不均勻的鍛鋼和鑄鐵的硬度測試，鍛鋼和灰鑄鐵的布氏硬度與拉伸試驗有著較好的對應關系。布氏硬度試驗還可用于有色金屬、鋼材和經過調質熱處理的半成品工件，采用小直徑球壓頭可以測量小尺寸和較薄材料。布氏硬度計多用于原材料和半成品的檢測，由于壓痕較大，一般不用于成品檢測。
      4. 布氏硬度試驗條件的選擇
      如同洛氏硬度試驗關于標尺的選擇一樣，布氏硬度試驗也要遇到試驗條件的選擇問題，即試驗力F和壓頭球直徑D的選擇。這種選擇不是任意的，而是要遵循一定的規則，并且要注意試驗力和壓頭球直徑的合理搭配，應用起來比洛氏硬度試驗略顯復雜。
      布氏硬度試驗常用的試驗條件是采用10mm直徑的球壓頭，3000kg試驗力。這一條件能夠最大限度地體現布氏硬度的特點。但是由于試樣材質不同，硬度不同，試樣大小，薄厚也不同，一種試驗力，一種壓頭自然不能滿足要求。在試驗力和壓頭球直徑的選擇方面需要遵循以下兩個規則：
      4.1 規則一，要使試驗力和球壓頭直徑的平方之比為一個常數。即

                                         圖2布氏硬度壓痕相似原理

      這個規則來源于相似律。根據布氏硬度試驗的相似律，在圖２中不同直徑的球壓頭D1 、D2 在不同的試驗力F1 、F2作用下壓入試樣表面，壓痕直徑d1、d2是不同的，但是只要壓入角Ø1、Ø2相同，壓痕就具有相似性。這時試驗力和壓頭球直徑的平方之比就是一個常數。在這種條件下，采用不同的試驗力和不同直徑的球壓頭，在同一試樣上測得的硬度值是相同的，在不同的試樣上測得的硬度值是可以 相互比較的。
      試驗力與壓頭球直徑平方之比在采用公斤力的舊標準中表示為F/D2，在采用牛頓力的新標準中表示為0.102 F/D2。

測試鋼鐵材料，通常采用3000kg力，10mm球的試驗條件，有

K=F/D2=30

測量范圍為100~650HBW。根據相似律，采用750kg力，5mm球；187.5kg力，2.5mm球；1850kg力，7.26mm球時，K值都是30，測量范圍也都是100~650HBW，各種不同組合在測試同一試樣時，其硬度值應該是相等的。    

4.2 規則二，試驗后要使壓痕直徑處于以下范圍內：
         0.24D≤d≤0.6D        …………………（6）
      否則試驗結果是無效的,應選擇合適的試驗力重新試驗。人們的大量試驗表明，當壓痕直徑在 0.24D~0.6D之間時，測得的硬度值與試驗力大小無關。
      布氏硬度試驗可選擇的試驗力從3000kg到1kg大約有20個級別。布氏硬度試驗可選擇的壓頭直徑為Ø10mm、Ø5mm、Ø2.5mm、Ø1mm共4種。
      布氏硬度試驗可選擇的0.102F/D2值為30、15、10、5、2.5、1共6種。
      標準GB/T231.1—2002中規定的試驗條件如表1所示。
      表1布氏硬度試驗條件

      標準GB/T231.1—2002中規定試驗力和壓頭直徑平方之比（0.102F/D2）應按材料的種類和硬度范圍來選擇，如表２所示。
      表２試驗力—壓頭直徑平方之比的選擇

      標準GB/T231.1—2002中規定，對于鋼只有一種選擇，就是0.102F/D2=30，對于其他材料，根據其不同的硬度范圍，有2~3種0.102F/D2值可供選擇。
      4.3布氏硬度試驗條件的選擇過程：
      4.3.1根據材料種類和硬度范圍， 按表2選擇0.102F/D2值，一般較硬的材料選擇較高的0.102F/D2值，較軟的材料選擇較低的0.102F/D2值，鋼鐵材料只選擇0.102F/D2＝30一個值。
      4.3.2根據試樣的厚度和大小選擇壓頭直徑D和試驗力F，對于較厚、較大的試樣，應盡量選用Ø10mm的壓頭和相應的試驗力，因為這樣最能體現布氏硬度計的特點。對于較薄、較小的試樣，應選用較小的壓頭和較小的試驗力。以保證滿足布氏硬度試驗關于“試樣厚度應大于壓痕深度的8倍”的要求。
      4.3.3完成上述選擇之后應進行初步試驗，確定壓痕直徑是否滿足0.24D<d<0.6D。如果滿足這一要求，就可進行正式測試，并查表得到布氏硬度值。如果不滿足這一要求，當壓痕直徑小于0.24D時，說明壓痕過小，應重新選擇大一些的試驗力。當壓痕直徑大于0.6D時，說明壓痕過大，應重新選擇小一些的試驗力。
     5布氏硬度與抗拉強度的關系
由于布氏硬度試驗能夠反映出試樣較大范圍內的綜合性能，因此布氏硬度與材料的其他機械性能關系密切，尤其是與抗拉強度存在近似的換算關系：
      σb=K•HB         ………………  (7)
      式中：σb—抗拉強度值，MN/m2；     
            K—常數，不同材料有不同的數值；

HB—材料的布氏硬度值
      通過測試布氏硬度可以間接得到材料的抗拉強度。這一點在生產實際中具有重大意義?？梢酝ㄟ^測量硬度的方法得到近似的強度值，這樣既可以提高工作效率，又可以節省材料。
部分金屬材料的換算關系如表3所示。

表3部分金屬硬度與強度換算關系：