布氏硬度试验条件的选择

布氏硬度计（GB/T231.1—2002）

1. 布氏硬度计原理
     对直径为D的硬质合金球压头施加规定的试验力，使压头压入试样表面，经规定的保持时间后， 除去试验力，测量试样表面的压痕直径d，布氏硬度用试验力除以压痕表面积的商来计算。

   图1布氏硬度试验原理

      2. 布氏硬度计的特点
      布氏硬度试验的优点是其硬度代表性好，由于通常采用的是10mm球压头，3000kg试验力，其压痕面积较大，能反映较大范围内金属各组成相综合影响的平均值，而不受个别组成相及微小不均匀度的影响，因此特别适用于测定灰铸铁、轴承合金和具有粗大晶粒的金属材料。它的试验数据稳定，重现性好，精度高于洛氏，低于维氏。此外布氏硬度值与抗拉强度值之间存在较好的对应关系。
      布氏硬度试验的缺点是压痕较大，成品检验有困难，试验过程比洛氏硬度试验复杂，要分别完成测量操作和压痕测量，因此要求操作者具有一定的经验。
      3. 布氏硬度计的应用
      布氏硬度计主要用于组织不均匀的锻钢和铸铁的硬度测试，锻钢和灰铸铁的布氏硬度与拉伸试验有着较好的对应关系。布氏硬度试验还可用于有色金属、钢材和经过调质热处理的半成品工件，采用小直径球压头可以测量小尺寸和较薄材料。布氏硬度计多用于原材料和半成品的检测，由于压痕较大，一般不用于成品检测。
      4. 布氏硬度试验条件的选择
      如同洛氏硬度试验关于标尺的选择一样，布氏硬度试验也要遇到试验条件的选择问题，即试验力F和压头球直径D的选择。这种选择不是任意的，而是要遵循一定的规则，并且要注意试验力和压头球直径的合理搭配，应用起来比洛氏硬度试验略显复杂。
      布氏硬度试验常用的试验条件是采用10mm直径的球压头，3000kg试验力。这一条件能够最大限度地体现布氏硬度的特点。但是由于试样材质不同，硬度不同，试样大小，薄厚也不同，一种试验力，一种压头自然不能满足要求。在试验力和压头球直径的选择方面需要遵循以下两个规则：
      4.1 规则一，要使试验力和球压头直径的平方之比为一个常数。即

                                         图2布氏硬度压痕相似原理

      这个规则来源于相似律。根据布氏硬度试验的相似律，在图２中不同直径的球压头D1 、D2 在不同的试验力F1 、F2作用下压入试样表面，压痕直径d1、d2是不同的，但是只要压入角Ø1、Ø2相同，压痕就具有相似性。这时试验力和压头球直径的平方之比就是一个常数。在这种条件下，采用不同的试验力和不同直径的球压头，在同一试样上测得的硬度值是相同的，在不同的试样上测得的硬度值是可以 相互比较的。
      试验力与压头球直径平方之比在采用公斤力的旧标准中表示为F/D2，在采用牛顿力的新标准中表示为0.102 F/D2。

测试钢铁材料，通常采用3000kg力，10mm球的试验条件，有

K=F/D2=30

测量范围为100~650HBW。根据相似律，采用750kg力，5mm球；187.5kg力，2.5mm球；1850kg力，7.26mm球时，K值都是30，测量范围也都是100~650HBW，各种不同组合在测试同一试样时，其硬度值应该是相等的。    

4.2 规则二，试验后要使压痕直径处于以下范围内：
         0.24D≤d≤0.6D        …………………（6）
      否则试验结果是无效的,应选择合适的试验力重新试验。人们的大量试验表明，当压痕直径在 0.24D~0.6D之间时，测得的硬度值与试验力大小无关。
      布氏硬度试验可选择的试验力从3000kg到1kg大约有20个级别。布氏硬度试验可选择的压头直径为Ø10mm、Ø5mm、Ø2.5mm、Ø1mm共4种。
      布氏硬度试验可选择的0.102F/D2值为30、15、10、5、2.5、1共6种。
      标准GB/T231.1—2002中规定的试验条件如表1所示。
      表1布氏硬度试验条件

      标准GB/T231.1—2002中规定试验力和压头直径平方之比（0.102F/D2）应按材料的种类和硬度范围来选择，如表２所示。
      表２试验力—压头直径平方之比的选择

      标准GB/T231.1—2002中规定，对于钢只有一种选择，就是0.102F/D2=30，对于其他材料，根据其不同的硬度范围，有2~3种0.102F/D2值可供选择。
      4.3布氏硬度试验条件的选择过程：
      4.3.1根据材料种类和硬度范围， 按表2选择0.102F/D2值，一般较硬的材料选择较高的0.102F/D2值，较软的材料选择较低的0.102F/D2值，钢铁材料只选择0.102F/D2＝30一个值。
      4.3.2根据试样的厚度和大小选择压头直径D和试验力F，对于较厚、较大的试样，应尽量选用Ø10mm的压头和相应的试验力，因为这样最能体现布氏硬度计的特点。对于较薄、较小的试样，应选用较小的压头和较小的试验力。以保证满足布氏硬度试验关于“试样厚度应大于压痕深度的8倍”的要求。
      4.3.3完成上述选择之后应进行初步试验，确定压痕直径是否满足0.24D<d<0.6D。如果满足这一要求，就可进行正式测试，并查表得到布氏硬度值。如果不满足这一要求，当压痕直径小于0.24D时，说明压痕过小，应重新选择大一些的试验力。当压痕直径大于0.6D时，说明压痕过大，应重新选择小一些的试验力。
     5布氏硬度与抗拉强度的关系
由于布氏硬度试验能够反映出试样较大范围内的综合性能，因此布氏硬度与材料的其他机械性能关系密切，尤其是与抗拉强度存在近似的换算关系：
      σb=K•HB         ………………  (7)
      式中：σb—抗拉强度值，MN/m2；     
            K—常数，不同材料有不同的数值；

HB—材料的布氏硬度值
      通过测试布氏硬度可以间接得到材料的抗拉强度。这一点在生产实际中具有重大意义。可以通过测量硬度的方法得到近似的强度值，这样既可以提高工作效率，又可以节省材料。
部分金属材料的换算关系如表3所示。

表3部分金属硬度与强度换算关系：