布氏硬度计原理
对直径为D的硬质合金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 HB =F / S ……………… (1-1) =F / πDh ……………… (1-2) =0.102×2F / πDh（D－ ） ……………… （1-3） 式中：F —— 试验力，N； S —— 压痕表面积，mm； D —— 球压头直径，mm； h —— 压痕深度， mm； d —— 压痕直径，mm
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10 mm直径球压头，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，测量操作和压痕测量都比较费时，并且由于压痕边缘的凸起、凹陷或圆滑过渡都会使压痕直径的测量产生较大误差，因此要求操作者具有熟练的试验技术和丰富经验，一般要求由专门的实验员操作。
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和软钢，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。
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。 布氏硬度试验最常用的试验条件是采用10mm直径的球压头，3000kg试验力。这一条件最能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的规则有2个。 1.4.1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 F/D2=F1/D12 = F2/D22 =K ………… （１－４） 图1-2 布氏硬度压痕相似原理 这个规则来源于相似律。根据相似律，在图１－２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?1、?2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。 1.4.２规则二，试验后要使压痕直径处于以下范围： 0.24D < d < 0.6D ………… （１－５） 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，当压头直径在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?10mm、?5mm、?2.5mm、?1mm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1－1所示。 表1－1 布氏硬度试验条件
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硬度符号 |
球直径D/mm |
试验力－压头球直径平方的比率0.102F/D2 |
试验力F/N |
|
HBW10/3000
HBW10/1500
HBW10/1000
HBW10/500
HBW10/250
HBW10/100
HBW5/750
HBW5/250
HBW5/125
HBW5/62.5
HBW5/25
HBW2.5/187.5
HBW2.5/62.5
HBW2.5/31.25
HBW2.5/15.625
HBW2.5/6.25
HBW1/30
HBW1/10
HBW1/5
HBW1/2.5
HBW1/1 |
10
10
10
10
10
10
5
5
5
5
5
2.5
2.5
2.5
2.5
2.5
1
1
1
1
1 |
30
15
10
5
2.5
1
30
10
5
2.5
1
30
10
5
2.5
1
30
10
5
2.5
1 |
29420
14710
9807
4903
2452
980.7
7355
2452
1226
612.9
245.2
1839
612.9
306.5
153.2
61.29
294.2
98.07
49.03
24.52
9.807 |
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1－２所示
表１－２.试验力—压头直径平方之比的选择
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材料 |
|
试验力-压头球直径平方的比率0.102F/D2 |
|
钢、镍合金、钛合金 |
|
30 |
|
铸铁 |
<140
≥140 |
10
30 |
|
铜及铜合金 |
<35
35~200
>200 |
5
10
30 |
|
轻金属及合金 |
35~80
>80 |
5
10
15
10
15 |
|
铅、锡 |
|
1 |
１）对于铸铁的试验，压头球直径一般为2.5ｍｍ，５ｍｍ和１０ｍｍ
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。
1.4.3布氏硬度试验条件的选择过程：
1.4.3.1根据材料种类和硬度范围，按表1－2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。
1.4.3.2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?10mm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。
1.4.3.3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。
1.5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 ……………… (1-6)
式中：σb—抗拉强度值，MN/m2；
K—常数，不同材料有不同的数值。
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1－３表所示。
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材料 |
|
近似换算关系 |
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钢 |
125~175
＞175 |
σb≈0.343HB×10MN/m2
σb≈0.363HB×10MN/m2 |
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铸铝合金 |
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σb≈0.26HB×10MN/m2 |
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退火黄铜、青铜 |
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σb≈0.55HB×10MN/m2 |
|
冷加工后的黄铜、青铜 |
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σb≈0.40HB×10MN/m2 |
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