一種便攜式布氏硬度計

朱旭明 李 矛 翁 俊 孫春宇 孫桂清/. 上海市計量測試技術研究院；. 上海大學

該文介紹一種以液壓系統(tǒng)為加力裝置，通過測深法來確定布氏硬度值的便攜式布氏硬度計，克服了常規(guī)布氏硬度計加力裝置結構比較復雜和固定不動等問題，可解決批量工件在現(xiàn)場進行布氏硬度的檢測，該方法還避免了人為測量誤差，尤其對一些大型工件來說，可顯著提高工作效率。

0 引言

工程中為了在不破壞工件的情況下，方便地成批檢驗產(chǎn)品的質(zhì)量，通過硬度檢測來確定產(chǎn)品的物理性能指標。它是指材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力，是衡量材料物理性能的依據(jù)，是一個綜合的物理量。

布氏硬度值是用一定直徑的硬質(zhì)合金球，在一定試驗力的作用下壓入試件表面，經(jīng)一定時間后卸除試驗力而獲得壓痕，以壓痕表面積上所承受的平均壓力來表示的。目前大多數(shù)布氏硬度壓痕的測量值是通過普通的光學顯微鏡來得到，不但造成較大的人為測量誤差，而且工作效率低。硬度計的加力裝置是通過杠桿加載砝碼，結構比較復雜，同時布氏硬度壓痕比較大，成品檢驗有困難。本文通過運用測量壓痕深度來換算成布氏硬度值，取代原來用測量壓痕直徑換算成布氏硬度值，采用液壓系統(tǒng)為加力裝置通過測深法來確定布氏硬度值的方法，可解決批量工件在線檢測布氏硬度值，避免了人為讀數(shù)誤差，尤其對一些大型工件來說，可顯著提高工作效率。

1 測量原理

布氏硬度測量的原理：對直徑為D的硬質(zhì)合金壓頭施加規(guī)定的試驗力，使壓頭壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定的保持時間后，除去試驗力，測量試樣表面的壓痕直徑d，布氏硬度就是用試驗力除以壓痕表面積S的商來計算，如圖1所示。

圖1 布氏硬度試驗原理

HBS——表示用淬火鋼球壓頭測量的布氏硬度值。適用范圍：小于HBS 450；

HBW——表示用硬質(zhì)合金壓頭測量的布氏硬度值。適用范圍：HBW 450～650

式中：

F —— 試驗力， 單位 N；

D —— 球壓頭直徑，單位mm；

h —— 壓痕深度，單位mm；

d —— 壓痕直徑，單位mm

G ——標準重力加速度，1/G=1/9.80665=0.102

這是布氏硬度測量的基本原理，但是由于試樣材質(zhì)不同、硬度不同、試樣大小及薄厚也不同，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的規(guī)則有兩個：

規(guī)則一，要使試驗力與球壓頭直徑的平方之比為一個常數(shù)。如圖2所示：

圖2 布氏硬度壓痕相似原理

這個規(guī)則來源于相似律。根據(jù)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1、角2相同，壓痕就具有相似性。這時試驗力和球壓頭直徑的平方之比就是一個常數(shù)。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。試驗力與球壓頭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0.102F/D2。

規(guī)則二，試驗后要使壓痕直徑處于以下范圍：0.24D＜d＜0.6D

否則試驗結果是無效的,應選擇合適的試驗力重新試驗。大量試驗表明，當壓頭直徑在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3000 kg到1 kg大約有20個級別。布氏硬度試驗可選擇的壓頭直徑為φ10 mm、φ5 mm、φ2.5 mm、φ1 mm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。

在標準GB/T231.1-2002中規(guī)定了試驗條件：試驗力和壓頭直徑平方比（0.102F/D2）應按材料的種類和硬度范圍來選擇，不再贅述。

2 總體結構

便攜式布氏硬度計的機械部分包含升降機構及工作臺、加力裝置和壓頭設計等。升降機構的工作原理比較簡單，由圖3可知：通過手柄的人工搖動，垂直方向的錐齒輪轉動帶動水平方向的錐齒輪聯(lián)動，繼而再帶動與它聯(lián)立的水平直齒輪工作，與此同時直齒輪再帶動其兩旁的兩個水平直齒輪運轉，從而改變螺母在絲桿上的位置來移動壓頭的上下位置。另外，選取雙絲桿之目的也是為了保證測試能夠更加穩(wěn)定進行。

圖3 現(xiàn)場布氏硬度計總體結構

加力裝置主要就是液壓千斤頂，經(jīng)過杠桿和大小活塞的兩次放大，根據(jù)布氏硬度測試最常用的試驗條件擬定設計基本要求：大柱塞試驗壓力為3000 kg，最大行程是5 mm，采用10 mm直徑鋼球壓頭，壓入深度為1 mm?？紤]一般人可以在杠桿處輸出的力值區(qū)間和大小活塞的行程及設備總體尺寸，得到對于千斤頂設計的平衡位置是：小柱塞取φ10 mm、行程10 mm，大柱塞取φ40 mm、行程 5 mm，壓強p= 23.87 MPa，油箱為φ36×20 mm，杠桿放大30倍，即桿長為300 mm（考慮手握位置+50 mm），那么工作人員只需在杠桿處施加6.25 kg力便可達到要求，對于一般試驗人員均沒有問題。

3 硬件、軟件設計

根據(jù)布氏硬度的試驗原理，要測算布氏硬度值，所需獲得的數(shù)據(jù)包括兩部分：試驗力F和壓痕深度d。其中試驗力由LSR-A2型壓力傳感器獲得，壓痕深度由rsj-1容柵數(shù)顯位移傳感器獲得，以這兩個傳感器為核心組成整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分。

本系統(tǒng)的原理圖框圖如圖4所示，壓力傳感器和位移傳感器采集到的信號，需要經(jīng)過AD574的模數(shù)轉換才能被讀取，進入單片機MCS51-89C52，顯示動態(tài)的試驗力和壓頭壓入試樣的深度，當達到預定試驗力時，采用位移傳感器的位移值并送數(shù)據(jù)處理，通過液晶顯示屏顯示試樣的硬度值并存儲。

圖4 系統(tǒng)硬件原理框圖

軟件設計的主導思想：采用模塊化結構，大量調(diào)用子程序及中斷服務程序，盡量減少主程序內(nèi)容，使條理清晰，調(diào)試方便。圖5為系統(tǒng)主程序流程圖

軟件的主要功能：軟件程序包括液晶驅(qū)動程序、漢字顯示程序、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理。

圖5 系統(tǒng)程序流程圖

4 運行與調(diào)試

實驗過程中需對傳感器信號進行連續(xù)采樣和A/D轉換，顯示動態(tài)的試驗力和壓頭壓入試樣的深度，求出試驗力的最大值和卸除試驗力后的殘余壓痕深度，并送數(shù)據(jù)處理，顯示試樣這個點的布氏硬度值并存儲。每個試樣結束后，顯示硬度的平均值。

5 結束語

本文在分析整個系統(tǒng)功能的基礎上，設計了一種采用液壓系統(tǒng)為加力裝置，通過測深法來確定布氏硬度值的便攜式布氏硬度計，提出了采用測量壓痕深度的方法獲得硬度值的方案。

但上述實驗中未考慮樣品表面粗糙度和彈性形變對試驗結果的影響，因此需要進行大量的實驗，與標準進行比較，從而歸納總結出修正因子。另外菜單模式以及軟件上的功能有待優(yōu)化與豐富。

[1] 劉吉萍. 高精度布氏硬度壓痕測量系統(tǒng)[J]. 計量學報, 2008 (07).

[2] J H 韋斯特布魯克, 等. 硬度試驗科學及其應用[M] . 北京: 中國計量出版社, 1987.

[3] 趙午云, 郭維強. 金屬材料布氏硬度檢測微控系統(tǒng)的設計[J]. 儀器儀表用戶, 2002, 6(9): 8～9.

[4] 李維鉞. 布氏硬度試驗用球不同及對結果的影響[J]. 冶金標準化與質(zhì)量, 1996 (07) .

[5] 何立民. MCS-51系列單片機應用系統(tǒng)設計系統(tǒng)配置與接口技術[M]. 北京: 北京航空航天大學出版社, 1995.