黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定站

□ 李曉東

硬度是材料力學(xué)性能試驗(yàn)中最常用的性能指標(biāo)之一，硬度試驗(yàn)又是目前力學(xué)性能試驗(yàn)中一種最為簡(jiǎn)單和迅速的方法。硬度的定義是材料在一定條件下抵抗另一種本身不會(huì)發(fā)生殘余變形的物體壓入的能力，因此就被測(cè)材料而言，硬度是代表著在一定的壓頭和在試驗(yàn)力的作用下，所反映出的材料的彈性、塑性、強(qiáng)度、韌性以及耐磨性能等一系列不同物理性能的綜合指標(biāo)。

目前，常用的硬度試驗(yàn)方法有布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度、表面洛氏和肖氏硬度試驗(yàn)等。布氏硬度試驗(yàn)是目前世界上使用最頻繁、應(yīng)用最廣泛的方法之一。只有根據(jù)被測(cè)零件的材料種類和大致硬度值選擇合適的試驗(yàn)方法和試驗(yàn)條件，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行正確處理并認(rèn)真分析影響硬度試驗(yàn)結(jié)果的主要因素，才能大大提高硬度測(cè)量的準(zhǔn)確性，保證檢測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)性和有效性。因此筆者以布氏硬度試驗(yàn)為例，探討影響其試驗(yàn)結(jié)果的因素以及測(cè)量過(guò)程中應(yīng)注意的問(wèn)題。

一、試驗(yàn)原理及表示方法

試驗(yàn)時(shí)，對(duì)一定直徑的硬質(zhì)合金球施加試驗(yàn)力壓入零件表面，經(jīng)規(guī)定保持時(shí)間后，卸出試驗(yàn)力，測(cè)量零件表面壓痕的直徑。

布氏硬度與試驗(yàn)力除以壓痕表面積的商成正比。壓痕被看作是具有一定半徑的球形，壓痕的表面積通過(guò)壓痕的平均直徑和壓頭直徑計(jì)算得到。

GB/T 231.1—2009規(guī) 定：布氏硬度用符號(hào)HBW表示。符號(hào)HBW前面為硬度值，符號(hào)后面表示試驗(yàn)條件的指標(biāo)。

例如，600HBW1/30/20 表示用直徑1mm的硬質(zhì)合金球在294.2N試驗(yàn)力下保持20s時(shí)間測(cè)定的布氏硬度值為600。

二、試驗(yàn)結(jié)果及處理

1.布氏硬度試驗(yàn)后，檢查零件背面及邊緣，若發(fā)現(xiàn)零件背面出現(xiàn)變形痕跡或邊緣鼓脹變形，則試驗(yàn)結(jié)果無(wú)效。試驗(yàn)力選擇應(yīng)保證試驗(yàn)后壓痕直徑在0.24D～0.60D（D為球直徑）之間。從壓痕相似原理出發(fā)，將根據(jù)零件尺寸選擇壓頭球直徑（優(yōu)先選擇10mm）。當(dāng)壓頭球直徑確定后，根據(jù)試驗(yàn)材料種類和硬度選擇0.102 F/D2，根據(jù)0.102F/D2選擇試驗(yàn)力，見(jiàn)表1。

表1 不同材料的試驗(yàn)力—壓頭球直徑平方的比率

2.用讀數(shù)顯微鏡或萬(wàn)能工具顯微鏡等應(yīng)在兩個(gè)相互垂直方向測(cè)量壓痕直徑。用兩個(gè)讀數(shù)的平均值計(jì)算布氏硬度值，或按GB/T 231.4—2009查得布氏硬度值。

3.計(jì)算的布氏硬度值或3點(diǎn)布氏硬度平均值等于或大于100時(shí)，修約至整數(shù)；等于或大于10而小于100時(shí)，修約至一位小數(shù)；小于10時(shí)，修約至兩位小數(shù)。修約方法按照GB/T 8170—2008的規(guī)定進(jìn)行。

4.表示測(cè)量結(jié)果時(shí)應(yīng)依據(jù)GB/T 231.1—2009和JJF 1059.1—2012給出測(cè)量不確定度。

三、影響布氏硬度試驗(yàn)結(jié)果的因素分析

1.試驗(yàn)力的影響

布氏硬度計(jì)的試驗(yàn)力誤差對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有影響。大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，布氏硬度值的變化與試驗(yàn)力誤差呈線性關(guān)系，即試驗(yàn)力的實(shí)際示值與標(biāo)準(zhǔn)值之差的相對(duì)百分?jǐn)?shù)直接影響布氏硬度值的準(zhǔn)確性。

當(dāng)球體壓頭直徑一定而改變?cè)囼?yàn)力時(shí)，由于產(chǎn)生了壓痕及應(yīng)力狀態(tài)的變化，導(dǎo)致所測(cè)得的硬度值有較大差異。對(duì)于布氏硬度值大于140HB的情況，0.102F/D2值在5～30范圍內(nèi)，硬度值隨著試驗(yàn)力的增加而提高。因此，要取得準(zhǔn)確、可靠的試驗(yàn)結(jié)果，使試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有可比性，必須嚴(yán)格地按試驗(yàn)要求，在確定球體壓頭直徑D后，合理選擇0.102F/D2值進(jìn)行試驗(yàn)。

2.球體直徑公差的影響

在布氏硬度試驗(yàn)中，球體壓頭是標(biāo)準(zhǔn)化工具之一。所以球體直徑公差盡可能控制在小的范圍內(nèi)，球的直徑應(yīng)為在球的不少于三個(gè)位置上測(cè)量的單個(gè)測(cè)量值的平均值，每一個(gè)單個(gè)測(cè)量值與其標(biāo)稱直徑之差均不應(yīng)超過(guò)不同球直徑的允差，因?yàn)楫?dāng)球體直徑大于標(biāo)稱直徑時(shí)，試驗(yàn)得到的壓痕直徑偏大，使布氏硬度值偏低，對(duì)于低硬度值影響較大。

3.試驗(yàn)力保持時(shí)間的影響

試驗(yàn)力保持時(shí)間的長(zhǎng)短在一定范圍內(nèi)對(duì)布氏硬度試驗(yàn)結(jié)果是有影響的。在試驗(yàn)力保持時(shí)間的前幾秒鐘，由于零件的變形，硬度值變化很快，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸緩慢。對(duì)于高、中、低硬度的零件，試驗(yàn)方法只規(guī)定了試驗(yàn)力保持時(shí)間為10s—15s。圖1—圖3為試驗(yàn)力保持時(shí)間對(duì)不同材料布氏硬度值的影響。

圖1 試驗(yàn)力保持時(shí)間對(duì)標(biāo)準(zhǔn)塊硬度示值的影響

圖2 試驗(yàn)力保持時(shí)間對(duì)45鋼硬度示值的影響

圖3 試驗(yàn)力保持時(shí)間對(duì)鋁硬度示值的影響

此外，零件組織不均勻，壓痕距離、溫度、加力速度及試驗(yàn)力保持時(shí)間等對(duì)布氏硬度測(cè)量結(jié)果也都有影響，將在后續(xù)試驗(yàn)中進(jìn)行研究。

四、布氏硬度測(cè)量時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題

1.測(cè)量前，應(yīng)使用依照GB/T 231.3—2012標(biāo)定過(guò)的標(biāo)準(zhǔn)硬度塊上的標(biāo)準(zhǔn)壓痕進(jìn)行壓痕測(cè)量裝置的間接檢驗(yàn)。壓痕測(cè)量值應(yīng)與標(biāo)準(zhǔn)硬度塊證書(shū)上的標(biāo)準(zhǔn)值相差在0.5%以內(nèi)。如果測(cè)量裝置不能滿足上述要求，應(yīng)采取相應(yīng)措施。

2.測(cè)量前，應(yīng)在按照GB/T 231.3—2012標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)硬度塊上至少打一個(gè)壓痕。如果測(cè)量的硬度（平均）值與標(biāo)準(zhǔn)硬度塊標(biāo)準(zhǔn)值的差值在GB/T 231.2—2012中給出的允許誤差之內(nèi)，則硬度計(jì)被認(rèn)為是滿意的。如果超出，應(yīng)立即進(jìn)行間接檢驗(yàn)。

3.測(cè)量時(shí)必須保證壓頭與零件表面接觸，無(wú)沖擊和振動(dòng)地垂直于試驗(yàn)面施加試驗(yàn)力，直至達(dá)到規(guī)定試驗(yàn)力值。從加力開(kāi)始至全部試驗(yàn)力施加完畢的時(shí)間應(yīng)在2s—8s之間。試驗(yàn)力保持時(shí)間為10s—15s。對(duì)于要求試驗(yàn)力保持時(shí)間較長(zhǎng)的材料，試驗(yàn)力保持時(shí)間允許誤差為在±2s以內(nèi)。

4.更換壓頭或工作臺(tái)應(yīng)先測(cè)量幾次，至少預(yù)壓兩個(gè)壓痕以保證零件和壓頭處于穩(wěn)定狀態(tài)，然后方可正式進(jìn)行硬度測(cè)量。選擇的標(biāo)準(zhǔn)硬度塊應(yīng)與測(cè)量材料的硬度接近，在標(biāo)準(zhǔn)硬度塊表面均勻分布地測(cè)定5點(diǎn)硬度值，如果硬度讀數(shù)的平均值與標(biāo)準(zhǔn)硬度值之差在GB/T 231.2—2012表2中規(guī)定的范圍之內(nèi)時(shí)，則認(rèn)為硬度計(jì)合格，如果超差，應(yīng)進(jìn)行直接檢驗(yàn)（試驗(yàn)力的校準(zhǔn)、壓頭的檢驗(yàn)、壓痕測(cè)量裝置的校準(zhǔn)和試驗(yàn)循環(huán)時(shí)間的檢驗(yàn)）。

5.經(jīng)機(jī)加工的零件要保證試驗(yàn)面與支承面平行。對(duì)于不規(guī)則的零件，應(yīng)根據(jù)其特殊形狀，制作合適的零件支承臺(tái)；對(duì)于較長(zhǎng)零件，應(yīng)備有專用的支撐架以保證零件平穩(wěn)地置于試臺(tái)上。

6.零件的表面粗糙度值Ra一般不大于1.6μm，零件厚度至少應(yīng)為壓痕深度的8倍。任一壓痕中心距零件邊緣距離至少應(yīng)為壓痕平均直徑的2.5倍；兩相鄰壓痕中心間距離至少應(yīng)為壓痕平均直徑的3倍。

五、結(jié)語(yǔ)

布氏硬度試驗(yàn)結(jié)果的影響因素主要有試驗(yàn)力的影響、球體直徑公差的影響以及試驗(yàn)力保持時(shí)間的影響等；在布氏硬度測(cè)量時(shí)應(yīng)注意硬度計(jì)的檢驗(yàn)、試驗(yàn)力的保持時(shí)間、零件表面粗糙度、壓痕位置以及零件的表面狀態(tài)以及硬度計(jì)主軸傾斜、零件被測(cè)表面傾斜等都對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有一定程度的影響，試驗(yàn)時(shí)應(yīng)予以重視。Θ