材料的布洛维硬度的测量_布洛维硬度测量仪设计

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专业实验（1）

十：布洛维硬度试验讲义

一、实验目的掌握布洛维硬度的基本原理；熟悉布洛维硬度测量的基本方法和步骤；了解各种硬度试验方法的特点、应用范围及选用原则；熟悉硬度计的使用。

二、预习要求

实验前预习实验原理，撰写预习报告。

三、仪器设备

布洛维光学硬度计

四、布洛维硬度实验原理

（一）金属布氏硬度实验原理

布氏硬度试验的原理是用一定直径D（单位为mm）的硬质合金球，施以相应的试验力F（单位为kgf或N）压入试样表面（图1a），经规定保持时间t（单位为s）后卸除试验力，试样表面将残留压痕（图1b）。测量压痕平均直径d（单位为mm），求得压痕球形表面积S（mm2）。布氏硬度值（HB）就是试验力F除以压痕球形表面积S所得的商。其计算公式如下：

当试验力F的单位为kgf时

HB当试验力F的单位为N时

FS2F22D(DDd)（1）

HB0.102FS0.204FD(DDd22)（2）

通常布氏硬度值不标出单位。

图1 布氏硬度试验原理图

a)钢球压入试样表面 b）试样表面残留压痕

布氏硬度的符号用HBW表示。符号HBW之前书写硬度值，符号后面按下列顺序用数值表示试验条件：球体直径（mm）／试验力（以Kgf 表示）／试验力保持时间（10～15s不标注）。例如，350HBw10／1000／30表示用直径为10mm的硬质合金球在1000Kgf（9．807kN）试验力作用下，保持30s测得 布氏硬度为350。又如，600HBW1/30即表示用直径为1mm的硬质合金球在了30kgf以（294.2N）试验力作用下，保持10～15s测得的布氏硬度值为600。

图2 压痕相似原理

对于材料相同而厚薄不同的工件，为了测得相同的布氏硬度值，在选配压头直径D及试验力F时，应保证得到几何相似的压痕（即压痕的压入角φ保持不变），如图2所示。为此，应使：

F12D1F22D2F2D常数

附表1为不同条件下的实验力。1.实验力及球体直径的选择

实验力的选择应保证压痕直径d在0.24～0.6D之间。实验力－压头直径平方的比率（0.102F/ D2）应根据材料和硬度值选择，见附表2。

球体直径D规定有四种：10、5、2.5和1mm。主要根据试样厚度来选择。为了反映试样尽量大面积上的硬度值，应在试样厚度允许的前提下，尽量选择大直径球体压头进行实验。试样厚度至少为压痕深度的8倍。附表3列出压头直径（D）、压痕平均直径（d）与试样最小厚度（mm）的关系，可用于根据试样厚度选择压头直径，也可用于确定试样最小厚度。

F/D2比值规定有六种：30、15、10、5、2.5和1。主要根据试样的材料及其硬度范围，按照表1－2来选择。

当球体直径D及F/D2比值确定后）试验力F也就随之被确定了。2.试验力保持时间t的选择

试验力保持时间因试样材料的硬度而不同。对于黑色金属为10～15s； 对于有色金属为30±2s；对于

4.实验期间，硬度计不应受到影响实验结果的冲击和震动。

5.试样应放置在刚性支撑物上，试样背面和支撑物之间应保持清洁。6.任一压痕中心距试样边缘的距离至少为压痕平均直径的2.5倍。两相邻压痕中心间距离至少为压痕直径的3倍。

7.应在两相互垂直的方向测量压痕直径，用两读数的平均值计算硬度值。

（二）金属维氏硬度实验原理

维氏硬度的试验原理与布氏硬度类似，也是根据压痕单位面积所承受的试验力来计算硬度值。所不同的是维氏硬度试验的压头不是球体而是两对面夹角α为136°的金刚石四棱锥体。其试验原理如图3所示。压头在试验力F（单位为kgf或N）作用下，将试样表面压出一个四方锥形的压痕，经规定保持时间后，卸除试验力，测量出压痕对角线平均长度d〔d＝（d1＋d2）/2〕，用以计算压痕的表面积。维氏硬度值（HV）就是试验力F除以压痕表面积S所得的商值。计算公式如下：

当试验力下的单位为kgf时

HVFS2FSin(136/2)d21.8544Fd2（3）

当试验力下的单位为N时

HV0.102FS0.204FSin(136/2)d20.1891Fd2（4）

图3 维氏硬度试验原理图

与布氏硬度值一样，维氏硬度值也不标注单位。维氏硬度值的表示方法是：在HV前书写硬度值，HV后面按顺序用数字表示试验条件（试验力/试验力保持时间）（保持时间为10～15s者不标注）。例如，640Hv30表示用30kgf（294.2N）试验力保持10-15s测得的维氏硬度值为640,640Hv30/20表示用30kgf（294.2N）试验力保持20s测得的维氏硬度值为640。

维氏硬度试验的试验力为5（49.03）、10（98.07）、20（196.1）、30（294.2）、50（490.3）和100（980.7）kgf（N）六个档次。特殊情况下也可使用大于100kgf的载荷。实验力可根据试样材料的硬度及厚度来选择。试样和试样厚度至少应为压痕对角线长度的1.5倍（见附表4）。

1.实验一般在10-35℃室温进行。

2.实验力保压时间为10～15s，对于特殊材料，保压时间可以延长，但是误差应该保持在±2s之内。

3.在整个实验过程中，硬度计应避免受到冲击和震动。

4.任一压痕距离边缘，对于钢、铜及铜合金至少应为对角线长度的2.5倍；对于轻金属、铅、锡合金至少应为压痕对角线长度的3倍。两压痕中心之间的距离，对于钢、铜及铜合金至少应为对角线长度的3倍；对于轻金属、铅、锡合金至少应为压痕对角线长度的6倍。

5.应测量压痕两个对角线的长度，用两读数的平均值计算硬度值。

（三）金属洛氏硬度实验原理

洛氏硬度试验方法的压头为圆锥角α＝120°、顶部曲率半径为0.2mm的金刚石圆锥体或直径为D＝1.5875mm的球。

1.在初始实验力F0的压入深度；2.在初始实验力F1的压入深度；3.去除实验力F1后的弹性回复；4.残余压入深度；5.试样表面；6.测量基准面；7.压头位置

图4 洛氏硬度试验原理图

图4为以金刚石圆锥体作为压头测定洛氏硬度的原理图。先对试样加上规定的初始力F0，在金属表面得一压痕深度1，以此作为测量压痕深度的基线。随后再加上主试验力F1，压痕深度的增量为2。金属在F1作用下产生的总变形2中包括弹性变形与塑性变形。当将F1卸除后，总变形中的弹性变形恢复，使压头回升一段距离。于是得到金属在F0作用下的残余压痕深度增量4（用e表示）（其值以0.002mm为单位表示）。e值愈大表明金属洛氏硬度愈低；反之，则表明硬度愈高。为了照顾习惯上数值愈大硬度愈高的概念，故用一个常数上减去e来表示洛氏硬度值，并以符号HR表示，即

HRke（5）

当使用A、B标尺时，常数k定为100；当使用B标尺时时，常数k定为130。

实际测定洛氏硬度时，由于在硬度计的压头上方装有百分表，可直接测出压痕深度，并按式（5）换算出相应的硬度值。因此，在试验过程中金属的洛氏硬度可直接读出。

为了测定软硬不同的金属材料的硬度，在洛氏硬度计上可选配不同的压头与试验力，组合成几种不同的洛氏硬度标尺。每一种标尺用一个字母在HR后注明。我国最常用的标尺有A、B、C三种，其硬度值的符号分别用HRA、HRB及HRC表示。对于A、B标尺，直接在符号前面标出硬度值即可。如：65HRA和50HRC分别表示使用A和C标尺，硬度值为65和50。如果采用B标尺，必须标出球的材质，S表示钢球，W表示硬质合金球。如：59HRBS表示用淬火钢球在B标尺上测得的硬度值为59。

各标尺的试验条件、硬度值计算公式及应用实例，见表1。

表1洛氏硬度标尺的试验条件及适用范围

1.实验一般在10-35℃室温进行。

2.试样应放置在刚性支撑物上，并使压头轴线与试样表面垂直，要避免试样产生移动。3.使压头与试样表面接触，无冲击和震动地施加初始实验力F0，初始实验力保持时间不应超过3s。4.在实验过程中，硬度计避免冲击和振动。

5.两压痕中心之间的距离至少应为压痕直径的4倍，但不应小于2mm；任一压痕中心至边缘距离至少应为压痕直径的2.5倍，但不应小于1mm。

五、样品准备

采用老师准备好的合格样品，包括硬度不同的铝合金、碳钢及合金钢。标准硬度块

六、实验步骤

1.打开硬度计电源，将旋纽拨至布氏硬度档；

2.根据被测材料选择合适的压头直径以及P/D2值，同时调整实验力旋纽至选定的力值档；

3.将样品固定在样品台上，选择合适的检测点；

4.调节样品台升降旋纽，至表盘上显现读书后，将旋转速度放慢； 5.最后缓慢旋转至100刻度线与基线基本重合； 6.调节微调，使100刻度线与基线完全重合；

7.推动载荷加载手柄，给试样加载，刻度停止移动后，开始记录保压时间，达到预定时间后，拉动载荷加载手柄卸载；

8.将样品上面留下的压痕移至目测显微镜下测量压痕的直径，必须旋转90度测量两次，取平均值； 9.代入式（1）或（2）计算样品的布氏硬度值；

10.重复上述过程，测量三个不同的点，再取平均值；

11.将电源旋纽拨至维氏硬度档；

12.根据被测材料选择合适的实验力，同时调整实验力旋纽至选定的力值档； 13.将样品固定在样品台上，选择合适的检测点；

14.调节样品台升降旋纽，至表盘上显现读书后，将旋转速度放慢； 15.最后缓慢旋转至100刻度线与基线基本重合；

16.调节微调，使100刻度线与基线完全重合；

17.推动载荷加载手柄，给试样加载，刻度停止移动后，开始记录保压时间，达到预定时间后，拉动载荷加载手柄卸载；

18.将样品上面留下的压痕移至目测显微镜下测量压痕的两对角线长度，取平均值； 19.代入式（3）或（4）计算样品的维氏硬度值； 20.重复上述过程，测量三个不同的点，再取平均值； 21.将电源旋纽拨至洛氏硬度档；

22.根据被测材料选择合适的洛氏硬度标尺，同时调整实验力旋纽至选定的力值档； 23.将样品固定在样品台上，选择合适的检测点；

24.调节样品台升降旋纽，至表盘上显现读书后，将旋转速度放慢； 25.最后缓慢旋转至100刻度线与基线基本重合； 26.调节微调，使100刻度线与基线完全重合；

27.推动载荷加载手柄，给试样加载，刻度停止移动后，开始记录保压时间，达到预定时间后，拉动载荷加载手柄卸载；

28.卸载后，直接在硬度计的表盘上读出样品的硬度值； 29.重复上述过程，测量三个不同的点，再取平均值；

七、实验注意事项

1）实验过程中，样品一定要保持稳定，必须有良好的支撑，以免加压后试样弹出伤人； 2）在调节实验力时，一定要在卸载的状态下进行；

3）在实验中，调整压头至基线时，必须在卸载的状态下进行；

八、实验结果及数据处理

将标准硬度块的实验结果与标准值进行对照，找出差异的原因；将样品的实验测量结果与文献值进行比较，分析其差异。

九、实验报告要求

详细说明布洛维硬度测量的基本原理； 详细说明布洛维硬度测量的操作程序； 对不同测量的硬度结果进行比较，分析差异。

十、思考题及讨论

三种不同的硬度表征方法有何异同？在具体实施过程中，如何选择硬度的表征方法？

十一、参考资料

1）2）3）4）5）6）7）8）9）

GB/T 231.1—2002 金属布氏硬度试验 第1部分：实验方法

GB/T 231.2—2002 金属布氏硬度试验 第2部分：硬度计的检验与校准 GB/T 231.3—2002金属布氏硬度试验 第3部分：标准硬度块的标定 GB/T 4340.1—1999 金属维氏硬度实验 第1部分：实验方法

GB/T 4340.2—1999 金属维氏硬度实验 第2部分：硬度计的检验

GB/T 4340.3—1999 金属维氏硬度实验 第3部分：标准硬度块的标定 GB/T 230.1—2004 金属洛氏硬度试验 第1部分：实验方法

GB/T 230.2—2002 金属洛氏硬度试验 第2部分：硬度计的检验与校准 GB/T 230.3—2002 金属洛氏硬度试验 第3部分：标准硬度块的标定

附表1：布氏硬度在不同条件下的实验力

附表2：布氏硬度各种材料的实验力－压头直径平方的比率

附表3：不是硬度的试样厚度与压痕直径的关系 压痕平均直径

d 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 3.2 3.4 3.6 3.8 4 4.2 4.4 4.6 4.8 5 5.2 5.4 5.6 5.8 6

D＝1 0.08 0.18 0.33 0.54 0.8

试样最小厚度（mm）球体直径（mm）D＝2.5 D＝5

0.29 0.4 0.53 0.67 0.83 1.02 1.23 0.58 1.46 0.69 1.72 0.8 2 0.92 1.05 1.19 1.34 1.5 1.67 2.04 2.46 2.92 3.43 4

D＝10

1.17 1.38 1.6 1.84 2.1 2.38 2.68 3 3.34 3.7 4.08 4.48 4.91 5.36 5.83 6.33 6.86 7.42 8

附表4：维氏硬度试样最小厚度－实验力－硬度关系

1）表示硬度值HV；2）表示试样最小厚度t（mm）；3）表示对角线长度d（mm）；4）表示硬度符号（HV）；5）表示实验力F（N）