布氏硬度的誤差分析

王玉峰（天津冶金集團(tuán)中興盛達(dá)鋼業(yè)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(tuán)中興盛達(dá)鋼業(yè)有限公司，天津301616）

介紹了布氏硬度試驗(yàn)的原理與特點(diǎn)，分析了負(fù)荷誤差，鋼球誤差，壓痕直徑的測(cè)量誤差，負(fù)荷保持時(shí)間等影響布氏硬度值準(zhǔn)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(cè)量準(zhǔn)確度。

布氏硬度；負(fù)荷；硬度值；鋼球；壓痕；誤差

1 引言

在我們?nèi)粘Ｉ?、科研工作中，?duì)材料、產(chǎn)品及零部件進(jìn)行硬度測(cè)試是非常廣泛的，布氏硬度的測(cè)量方法與維氏硬度的測(cè)量方法相似，對(duì)不同的材料應(yīng)選擇不同的硬度測(cè)試方法。計(jì)量檢定資質(zhì)是由質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督管理局授權(quán)，具有權(quán)威性、合法性、準(zhǔn)確性。通過(guò)對(duì)布氏硬度的試驗(yàn)方法進(jìn)行誤差分析，這對(duì)于保證產(chǎn)品質(zhì)量，保證硬度試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，可靠是必不可少的。

2 布氏硬度試驗(yàn)的原理與特點(diǎn)

2.1 布氏硬度試驗(yàn)的原理

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

式中，HBS為布氏硬度，N/mm2；P施力m的負(fù)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(yàn)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(shuō)明金屬變形抗力小，故硬度值低，反之則硬度值高。測(cè)量壓痕d代替測(cè)量壓痕深度h。

2.2 布氏硬度試驗(yàn)的特點(diǎn)

能測(cè)定出材料的綜合性能。由于采用的負(fù)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(cè)定。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠、精度高。

操作簡(jiǎn)單迅速、使用方便。

與其它機(jī)械性能試驗(yàn)相比，試驗(yàn)件的制備也比較簡(jiǎn)單。

3 影響布氏硬度示值準(zhǔn)確性的因素與分析

3.1 負(fù)荷誤差對(duì)硬度值的影響

試驗(yàn)力的精度是硬度計(jì)的重要指標(biāo)，它將直接影響硬度值的準(zhǔn)確性。硬度值的變化與試驗(yàn)力誤差成線性關(guān)系，試驗(yàn)力偏離規(guī)定的數(shù)值，則壓痕也隨之發(fā)生變化。試驗(yàn)力偏大，壓痕隨之增大，則硬度值偏低；反之，硬度值偏高。其對(duì)低硬度的影響較大，對(duì)高硬度的影響較小。所以要提高硬度測(cè)量值的準(zhǔn)確性，就必須減少試驗(yàn)力的誤差，這就要求通過(guò)對(duì)硬度計(jì)的精心安裝調(diào)試和周期檢定來(lái)保證。

即：ΔHBS/HBS=ΔP/P。

為了測(cè)定負(fù)荷誤差對(duì)硬度值的影響，在直接加荷硬度計(jì)上進(jìn)行了試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)，理論分析與試驗(yàn)結(jié)果基本上是一致的，即負(fù)荷誤差為±1%時(shí)，硬度值的變化也近似±1%，只有當(dāng)硬度較高時(shí)，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(fù)量增大，致使結(jié)果有某些增高現(xiàn)象。

由于振動(dòng)和長(zhǎng)期使用，布氏硬度計(jì)中，刀子和刀墊產(chǎn)生松動(dòng)現(xiàn)象，改變了杠桿比，增大了負(fù)荷誤差變動(dòng)度，刀刃的嚴(yán)重磨損，降低了負(fù)荷的靈敏性，機(jī)體前后不水平，使刀刃受力不均勻，容易很快磨損，增大了負(fù)荷誤差，降低了硬度值。

3.2 鋼球誤差對(duì)硬度值的影響

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

當(dāng)n=2時(shí)，壓痕直徑d與鋼球直徑D的變化無(wú)關(guān)：當(dāng)n＞2時(shí)，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(shí)其硬度值的變化，對(duì)于硬度HBS10/1000/30 84±0.29%，對(duì)于硬度HBS10/3000/30 184為±0.25

在負(fù)荷的作用下，鋼球呈現(xiàn)彈性變形和塑性變形狀態(tài)與理想球體比較，則壓痕直徑產(chǎn)生了誤差。由于其產(chǎn)生彈性變形，使得鋼球呈現(xiàn)橢圓狀體（半徑為R）R＞D/2，引起壓痕增大。被測(cè)材料的硬度越高，彈性變形就越大，其對(duì)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(yàn)用的鋼球壓頭的硬度規(guī)定大于HV850，而被測(cè)試件的硬度不得大于HBS450。

鋼球硬度的不均勻性也會(huì)對(duì)布氏硬度的測(cè)試結(jié)果有某些影響。

3.3 壓痕直徑的測(cè)量誤差對(duì)硬度值的影響

硬度值是通過(guò)測(cè)量試驗(yàn)件的壓痕直徑得出相應(yīng)結(jié)果。讀數(shù)顯微鏡用于測(cè)定直徑的長(zhǎng)度值，從而從布氏硬度值參照表中查詢到相應(yīng)硬度值得出結(jié)果。人眼讀數(shù)一定會(huì)產(chǎn)生誤差，這也是最終硬度值產(chǎn)生誤差的主要原因之一。造成測(cè)距讀數(shù)顯微鏡讀取誤差原因有：一讀數(shù)顯微鏡鏡片模糊會(huì)造成測(cè)距讀數(shù)不準(zhǔn)確，可用棉簽蘸少量酒精來(lái)擦拭鏡片。分劃板不必多次擦拭，久之會(huì)影響刻度線的清晰度，以至于無(wú)法讀數(shù)。二讀數(shù)顯微鏡標(biāo)尺精度不準(zhǔn)，需要對(duì)標(biāo)尺進(jìn)行校準(zhǔn)。再選擇顯微鏡的位數(shù)時(shí)，一定要選適合的倍數(shù)，并不是越高倍數(shù)的顯微鏡就越好。

測(cè)量人員的熟練程度，包括儀器操作，照明的調(diào)整，對(duì)角線的誤差及讀數(shù)誤差。對(duì)線的誤差與壓痕輪廓的清晰度有很大關(guān)系。一般在壓痕輪廓清晰的情況下，熟練測(cè)量人員的對(duì)線誤差為0.2個(gè)分度。而讀數(shù)誤差（包括對(duì)線誤差）屬于偶然誤差，測(cè)量次數(shù)越多，則其平均值也越接近真值，精度也越高。對(duì)于不熟練的測(cè)量人員，在測(cè)量壓痕時(shí)，應(yīng)反復(fù)對(duì)線三次，取其居于中間的值，作為測(cè)量結(jié)果，以降低誤差。

壓痕輪廓的清晰度是影響測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性的重要因素之一。壓痕輪廓越清晰，讀數(shù)的分散性就越小。

3.4 負(fù)荷保持時(shí)間對(duì)硬度值的影響

負(fù)荷保持時(shí)間對(duì)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(fù)荷保持時(shí)間，進(jìn)行硬度測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果得出，隨著保荷時(shí)間的增長(zhǎng)，硬度值降低。從試驗(yàn)中得出，保荷時(shí)間0～30 s的變化尤為顯著，而30～65 s時(shí)，其變化就不顯著了。所以負(fù)荷保持時(shí)間一般選為30 s較為合適。

4 總結(jié)

綜上所述，通過(guò)分析可知，在布氏硬度試驗(yàn)中，只有對(duì)布氏硬度計(jì)的工作原理和標(biāo)準(zhǔn)充分理解，并對(duì)測(cè)量裝置進(jìn)行定期檢查，才能準(zhǔn)確快速地測(cè)量布氏硬度值，以減少硬度值測(cè)量的誤差。

［1 ］J J G 1 5 0-2 0 0 5，金屬布氏硬度計(jì)檢定規(guī)程［S ］.

［2］周飛.布氏硬度測(cè)量誤差分析［J ］.計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2 0 1 1 （3）：3 2.

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

［4］代燕.布氏硬度試驗(yàn)誤差分析及排除［J ］.武鋼技術(shù)，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(jì)量檢定方面的研究工作。