布氏硬度的誤差分析

王玉峰（天津冶金集團中興盛達鋼業有限公司，天津301616）

布氏硬度的誤差分析

王玉峰
（天津冶金集團中興盛達鋼業有限公司，天津301616）

介紹了布氏硬度試驗的原理與特點，分析了負荷誤差，鋼球誤差，壓痕直徑的測量誤差，負荷保持時間等影響布氏硬度值準確性的因素，并提出減少布氏硬度誤差的方法，提高了布氏硬度值測量準確度。

布氏硬度；負荷；硬度值；鋼球；壓痕；誤差

1 引言

在我們日常生活、科研工作中，對材料、產品及零部件進行硬度測試是非常廣泛的，布氏硬度的測量方法與維氏硬度的測量方法相似，對不同的材料應選擇不同的硬度測試方法。計量檢定資質是由質量技術監督管理局授權，具有權威性、合法性、準確性。通過對布氏硬度的試驗方法進行誤差分析，這對于保證產品質量，保證硬度試驗數據準確，可靠是必不可少的。

2 布氏硬度試驗的原理與特點

2.1 布氏硬度試驗的原理

布氏硬度測定的原理是用一定直徑D的鋼球在一定負荷P的作用下，壓入被測金屬的表面并保持一定時間后卸除負荷。以壓痕的單位面積上所承受的負荷表示金屬的硬度，如圖1所示。并用下式計算：

式中，HBS為布氏硬度，N/mm2；P施力m的負荷，N；F為壓痕的表面積，mm2；H為壓痕的深度，mm；D鋼球直徑，mm；d為壓痕直徑，mm。

圖1 布氏硬度試驗原理圖

由公式（1）可知，在P和D一定的條件下，布氏硬度值的高低，取決于壓痕深度h的大小，二者成反比。壓痕深度h大。說明金屬變形抗力小，故硬度值低，反之則硬度值高。測量壓痕d代替測量壓痕深度h。

2.2 布氏硬度試驗的特點

能測定出材料的綜合性能。由于采用的負荷及鋼球較大壓痕也較大，故適合于鑄鐵及軸承合金和具有粗大晶粒金屬材料的硬度測定。

試驗數據穩定、可靠、精度高。

操作簡單迅速、使用方便。

與其它機械性能試驗相比，試驗件的制備也比較簡單。

3 影響布氏硬度示值準確性的因素與分析

3.1 負荷誤差對硬度值的影響

試驗力的精度是硬度計的重要指標，它將直接影響硬度值的準確性。硬度值的變化與試驗力誤差成線性關系，試驗力偏離規定的數值，則壓痕也隨之發生變化。試驗力偏大，壓痕隨之增大，則硬度值偏低；反之，硬度值偏高。其對低硬度的影響較大，對高硬度的影響較小。所以要提高硬度測量值的準確性，就必須減少試驗力的誤差，這就要求通過對硬度計的精心安裝調試和周期檢定來保證。

即：ΔHBS/HBS=ΔP/P。

為了測定負荷誤差對硬度值的影響，在直接加荷硬度計上進行了試驗。通過試驗，理論分析與試驗結果基本上是一致的，即負荷誤差為±1%時，硬度值的變化也近似±1%，只有當硬度較高時，硬度值的某些變化小于±1%，這是由于硬度值增高，材料的彈性變形增大了，壓痕的彈性恢復量增大，致使結果有某些增高現象。

由于振動和長期使用，布氏硬度計中，刀子和刀墊產生松動現象，改變了杠桿比，增大了負荷誤差變動度，刀刃的嚴重磨損，降低了負荷的靈敏性，機體前后不水平，使刀刃受力不均勻，容易很快磨損，增大了負荷誤差，降低了硬度值。

3.2 鋼球誤差對硬度值的影響

鋼球是布氏硬度試驗的標準工具之一，所謂“標準”只是相對的，不可能做的與名義尺寸完全一致，由于制造時的尺寸公差，圓度及鋼球在負荷作用下的彈性變形和塑性變形，都直接影響硬度值的準確性。由于鋼球直徑變化了ΔD，壓痕直徑d也將發生變化，可用下式表示：式中，a為取決于試件材料的常數。

當n=2時，壓痕直徑d與鋼球直徑D的變化無關：當n＞2時，隨著鋼球直徑的增加，壓痕直徑將增加；如果n＜2，隨著鋼球直徑的增加，壓痕直徑將減小。鋼球直徑每變化±0.1 mm時其硬度值的變化，對于硬度HBS10/1000/30 84±0.29%，對于硬度HBS10/3000/30 184為±0.25

在負荷的作用下，鋼球呈現彈性變形和塑性變形狀態與理想球體比較，則壓痕直徑產生了誤差。由于其產生彈性變形，使得鋼球呈現橢圓狀體（半徑為R）R＞D/2，引起壓痕增大。被測材料的硬度越高，彈性變形就越大，其對硬度值的影響越大。

可以看出，壓頭彈性變形引起的硬度值誤差，可能比塑性變形引起的硬度值誤差大好幾倍，所以布氏硬度試驗用的鋼球壓頭的硬度規定大于HV850，而被測試件的硬度不得大于HBS450。

鋼球硬度的不均勻性也會對布氏硬度的測試結果有某些影響。

3.3 壓痕直徑的測量誤差對硬度值的影響

硬度值是通過測量試驗件的壓痕直徑得出相應結果。讀數顯微鏡用于測定直徑的長度值，從而從布氏硬度值參照表中查詢到相應硬度值得出結果。人眼讀數一定會產生誤差，這也是最終硬度值產生誤差的主要原因之一。造成測距讀數顯微鏡讀取誤差原因有：一讀數顯微鏡鏡片模糊會造成測距讀數不準確，可用棉簽蘸少量酒精來擦拭鏡片。分劃板不必多次擦拭，久之會影響刻度線的清晰度，以至于無法讀數。二讀數顯微鏡標尺精度不準，需要對標尺進行校準。再選擇顯微鏡的位數時，一定要選適合的倍數，并不是越高倍數的顯微鏡就越好。

測量人員的熟練程度，包括儀器操作，照明的調整，對角線的誤差及讀數誤差。對線的誤差與壓痕輪廓的清晰度有很大關系。一般在壓痕輪廓清晰的情況下，熟練測量人員的對線誤差為0.2個分度。而讀數誤差（包括對線誤差）屬于偶然誤差，測量次數越多，則其平均值也越接近真值，精度也越高。對于不熟練的測量人員，在測量壓痕時，應反復對線三次，取其居于中間的值，作為測量結果，以降低誤差。

壓痕輪廓的清晰度是影響測量結果準確性的重要因素之一。壓痕輪廓越清晰，讀數的分散性就越小。

3.4 負荷保持時間對硬度值的影響

負荷保持時間對硬度值是有影響的，在所用壓頭，加荷速度不變的情況下，只改變負荷保持時間，進行硬度測試，試驗結果得出，隨著保荷時間的增長，硬度值降低。從試驗中得出，保荷時間0～30 s的變化尤為顯著，而30～65 s時，其變化就不顯著了。所以負荷保持時間一般選為30 s較為合適。

4 總結

綜上所述，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。

［1 ］J J G 1 5 0-2 0 0 5，金屬布氏硬度計檢定規程［S ］.

［2］周飛.布氏硬度測量誤差分析［J ］.計量與測試技術，2 0 1 1 （3）：3 2.

［3］潘偉.布氏硬度試驗中的誤差分析及解決［J ］.中國建筑金屬結構，2 0 1 3 （0 1 X）：1 4 9.

［4］代燕.布氏硬度試驗誤差分析及排除［J ］.武鋼技術，2 0 0 6，4 4 （4）：4 7-5 0.

Analysis on Error at Brinell Hardness

WANG Yu-feng
（Tianjin Metallurgy Group Zhongxing Shengda Steel Industry Co.，Ltd.，Tianjin 301616，China）

The author introduces the principle and characteristics of brinell hardness test，analyzes load error，steel ball error and the measuring error of indentation diameter and factors influencing the accuracy of brinell hardness value such as load holding time，and proposes the method minimizing the error at brinell hardness，which improves the accuracy of the measurement of brinell hardness value.

brinell hardness；load；hardness value；steel ball；indentation；error

10.3969/j.issn.1006-110X.2016.02.020

2015-10-13

2015-11-02

王玉峰（1965—），男，本科，主要從事計量檢定方面的研究工作。