布氏硬度試驗中的誤差分析及解決

潘 偉

（西安鐵路職業(yè)技術學院機電工程系力學實驗室，陜西 西安 710014）

布氏硬度試驗是應用較廣泛的靜力硬度試驗方法，在大專院校的金屬材料教學中也是必做的一個實驗。布氏硬度試驗原理是用一定直徑的硬質(zhì)合金球，在規(guī)定的試驗力作用下壓入試件表面，經(jīng)過一定的試驗力保持時間后卸除試驗力測量留在試件表面壓痕直徑，以壓痕表面積所承受的平均壓力來表示布氏硬度值。在布氏硬度試驗中，凡是影響壓痕產(chǎn)生及測量的因素，均造成測量誤差，并影響布氏硬度值。以HB3000布氏硬度計為例，根據(jù)布氏硬度試驗原理及布氏硬度公式對試驗時產(chǎn)生測量誤差做一分析。

布氏硬度公式如下：

式中：HB-布氏硬度； F-試驗力，單位N；S-壓痕表面積，單位mm2：D-球壓頭直徑，單位mm；h-壓痕深度，單位mm；d-試件壓痕直徑， 單位：mm。

通過布氏硬度試驗原理圖和公式可以看出影響布氏硬度值的主要因素有以下幾種：

1 載荷誤差對硬度值的影響

通過布氏硬度公式和實踐操作證明，試驗力載荷誤差超過±1.0%或不穩(wěn)定就可造成硬度值出現(xiàn)較大誤差。硬度值的變化與試驗力誤差成線性關系， 試驗力載荷偏離規(guī)定的數(shù)值，則壓痕大小就會發(fā)生變化。試驗力偏大，壓痕就增大，硬度值就偏低；反之，硬度值則偏高。其對低硬度的影響較大，對高硬度的影響較小。

造成試驗力不準確的原因有：一是布氏硬度計的力點刀刃松動或載荷杠桿上的調(diào)整塊位置不適當，排除方法是調(diào)整力點刀刃并擰緊或前后移動調(diào)整塊位置達到標準試驗力后固定緊。二是壓縮彈簧銹蝕或布氏硬度計不平穩(wěn)，解決辦法是清洗生銹部位并上防護油或排除引起不平穩(wěn)的因素。

2 試驗力加載速度及保持時間不規(guī)范對硬度值的影響

在加力過程中，從加力開始到全部試驗力施加完畢時間應在2～8秒之間。試驗力加載速度越慢， 力的慣性越小， 試件變形過程就有充分的時間， 測得硬度值減小；隨著試驗力加載速度的增加， 材料變形時間縮短， 硬度值增大。造成試驗力加載速度過快或過慢的主要原因是減速器用油粘度問題，應清洗減速器，更換減速器用油。

如果試驗力保持時間較長， 則試件變形越充分， 壓痕增大，硬度值減小；反之硬度值增大。為確保測量結果的統(tǒng)一和準確，最好采用金屬布氏硬度試驗標準進行，對于黑色金屬，在中、高硬度時，試驗力保持時間為10～15s，對有色金屬，在中、低硬度時，試驗力保持時間在28～32s。對于硬度較低的材料，硬度＜35HB，為使材料充分的塑性變形，保持時間在58～62s。

3 鋼球壓頭直徑D及F/D2值對硬度值的影響

鋼球壓頭直徑大小與硬度值的變化成線性關系， 鋼球壓頭直徑大， 則壓痕就大， 所得硬度值偏低；相反，鋼球壓頭直徑小則硬度值偏高。舊的布氏硬度試驗國家標準（GB231-63）中壓頭材料為淬火鋼球，現(xiàn)在國家標準（GB231.1-2002）增加了硬質(zhì)合金球（碳化鎢鋼球），從而使布氏硬度值的測量范圍從原來＜450HB擴大到650HB。一般的淬火鋼球壓頭硬度不夠高時，當鋼球壓向試件時本身就會有變形，使壓痕增大，硬度值變低。現(xiàn)在布氏硬度計多采用硬質(zhì)合金球作為壓頭，因為碳化鎢硬質(zhì)合金鋼球硬度與金剛石相近，壓頭變形很小，測試的硬度值更準確。從實際布氏硬度試驗測試數(shù)據(jù)可以證明，同樣的試件，淬火鋼球壓頭測試的硬度值（HBS）比硬質(zhì)合金球測試的硬度值（HBW）偏低。另一方面，壓頭表面粗糙度應不大于0.2μm， 因為對硬度較低的金屬測試時，當鋼球壓入試樣時， 會造成較大阻力， 使壓痕減小，影響測試結果，導致硬度值偏高。

4 測距讀數(shù)顯微鏡和壓痕清晰程度對硬度值的影響

布氏硬度值一般是測量試件壓痕直徑后查表得出的，所以，測距讀數(shù)顯微鏡的讀數(shù)誤差是造成布氏硬度值誤差較大原因之一。讀取布氏硬度壓痕的相對誤差會引起布氏硬度值兩倍的誤差。造成測距讀數(shù)顯微鏡讀取誤差原因有：一是讀數(shù)顯微鏡視場模糊影響壓痕直徑的測量。可用脫脂棉花蘸取少許酒精和乙醚的混合液擦洗透鏡和分劃板。但分劃板不宜多洗，以免洗掉刻線。二是測量讀數(shù)顯微鏡的刻度以標準刻度尺檢查時誤差過大。主要是物鏡座與物鏡管之間松動或其間墊圈已掉，改變了鏡筒的長度。應該固緊物鏡座或配上墊圈。其次是顯微鏡的放大倍數(shù)并不是越大越好， 要選澤適當。試樣壓痕邊緣出現(xiàn)的凹凸或圓滑過渡等情況， 都可能增大壓痕直徑的測量誤差。標準規(guī)定測量壓痕直徑最大誤差應控制在±0.5%以內(nèi)，則可有效地將布氏硬度值誤差控制在最小范圍內(nèi)。

5 試樣、環(huán)境及操作對硬度值的影響

試樣表面的粗糙度和清潔度對布氏硬度值的測量都會產(chǎn)生誤差， 一般而言， 試樣表面越粗糙，抵抗試驗力的能力就會下降，測定的硬度值就會偏低。油脂、氧化物或灰塵對試件表面的污染也會給硬度測量結果帶來明顯誤差。試樣更不允許存在表面缺陷，試驗后試樣邊緣及背面呈現(xiàn)變形痕跡時， 則認為該試驗無效， 因此， 新標準中規(guī)定布氏硬度試樣厚度至少應為壓痕深度的8倍。

在布氏硬度試驗中，樣品溫度若升高，布氏硬度值就會降低，反之，布氏硬度值就會升高，所以，試驗時的試樣溫度應保持在常溫下。在試驗操作中，還應注意試樣壓痕之間和壓痕距試樣邊緣保持一定的間距，因為壓痕周圍變形產(chǎn)生的硬化區(qū)會使第二個壓痕變形受阻，從而產(chǎn)生硬度值誤差。所以，試驗中應嚴格按照新的標準操作。標準規(guī)定：壓痕距試樣邊緣的距離最少為壓痕平均直徑的2.5倍，兩相鄰壓痕中心間距離最少為壓痕平均直徑的3倍。

通過分析可知，在布氏硬度試驗中，只有對布氏硬度計的工作原理和標準充分理解，并對測量裝置進行定期檢查，才能準確快速地測量布氏硬度值，以減少硬度值測量的誤差。