布氏硬度测量

布氏硬度测量
硬度是指金属表面上局部体积内抵抗弹性变形、塑性变形或抵抗破坏的能力。

它是金属材料的重要性能之一,也是检验工、模具和机械零件质量的一项重要指标。

硬度试验的方法很多,使用最广泛的是压入法,它用一定的静载荷(压力)把压头压在金属表面上,然后通过测定压痕的面积或深度来确定其硬度。

常用的硬度试验方法有洛氏硬度、布氏硬度、维氏硬度等三种。

布氏硬度测量法通常采用的是10 mm直径球压头, 29420 N实验力,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,测量准确、稳定,其硬度代表性好,数据重复性好,精度高于洛氏硬度。

此外布氏硬度值与抗拉强度值之间存在较好的对应关系。

常用于测定退火、正火、调质钢、铸铁以及有色金属等的硬度值。

布氏硬度的试验原理是对一定直径D的硬质合金球施加试验力F压入试样表面,保持一定时间后,卸除试验力,测量试样表面压痕直径,见图1。

图1 布氏硬度试验原理
布氏硬度值的计算公式
式中:常数=1/gn=1/9.80665;gn—标准重力加速度。

一般地,测量出压痕直径后,查表获得材料的布氏硬度值。

传统的试样表面压痕直径测量方法是用20倍读数显微镜测量,比较费时,效率低,测量误差较大。

基于图象处理的布氏硬度测试系统采用图象分析的方法,能够精确的拟合压痕的边缘轮廓,根据像素数计算压痕的面积,自动计算出材料的布氏硬度,并显示在显示屏上,无需查表,方便、快捷、准确。

测量精度高,效率高。

对于一些无法识别的压痕图象,提供了手动直径测量方法可供选择。

1 测试系统的组成及工作原理
1.1测试系统的组成
测试系统硬件部分主要包括摄像头、图像采集卡、CCD电源等。

系统软件，经开发后具有基本的数字图像处理能力,如可进行滤波、边缘检测、角点检测、采样、差值、色彩转换、形态操作、直方图、图像金字塔等操作,可对各种结构进行分析,包括轮廓处理、距离变换、各种距的计算、模板匹配、多边形逼近、直线拟合、椭圆拟合等。

是系统的核心。

中值滤波,它将每一像素点的灰度值设置为该点某邻域窗口内的所有像素点灰度值的中值,从而消除孤立的噪声点。

对于中值滤波后的压痕图像,检测边缘可准确地区分真实边缘和虚假边缘,再用最小二乘法对压痕边缘进行曲线拟合。

通过该方法对压痕边界拟合出的圆是最接近压痕的圆,有利于将算法误差降到最小。

CCD摄像头，对图像数据高精度的采集能力和计算机对数字图像强大的处理技术,以及计算机的高速数据处理能力,实现了布氏硬度测试的实时化、高速化,可以直观地、智能地以及非接触式地完成测试过程。

1.2测试系统的工作原理
布氏硬度测试系统工作流程见图2。

图2 布氏硬度测试系统工作流程图
测试系统的工作原理是布氏硬度机将一定直径的硬质合金压头施加试验力在试样上压出压痕后,由摄像头捕捉压痕,通过图像采集卡读取到计算机中,用图象处理软件对压痕进行处理,获得压痕边缘轮廓的拟合曲线,然后根据拟合曲线内的图像像素数,计算出压痕面积。

根据布氏硬度试验原理,编写计算程序,根据压痕面积计算出材料的布氏硬度。

并将结果显示在显示屏上。

2测试系统分析及应用
2.1测试系统的分析
布氏硬度测试系统能够实现图像采集、参数标定、压痕直径自动测量、布氏硬度计算与显示、测量结果存储等功能;对自动测量无效的图像,设置手动测量方式。

为方便用户对图像进行常规的处理,设置简单的画图、写字功能;可对图像进行基本的图像处理,如图像亮度、对
比度的调整等;另外,通过图像“另存为”实现图像多种格式的转换。

2.2测试系统的应用
测试材料为正火状态的45号钢,压头采用Φ10的硬质合金球、试验力为29420N、保持6 s时间,在材料表面压出压痕。

2. 2. 1 自动测量
为保证和测试条件相吻合,首先要对测试系统进行标定。

当实验条件改变时,需要重新进行系统标定。

由摄像头捕捉压痕,见图3。

图3 摄像头捕捉压痕
单击“启动视频”按钮,实时采集材料表面的压痕动态图像,通过图像采集卡读取到计算机中,如图4。

“图像调节”可以获得更加清晰和高对比度的压痕边缘轮廓。

当捕捉到一个压痕后,按动“捕捉图像”按钮可以获得该压痕的静态图像。

图4 显示压痕图像
单击“HB圆”按钮,可以获得压痕轮廓的拟合曲线,并实时显示出材料的布氏硬度值,如图5。

单击“生成报告”按钮,可以生成测试结果报告,如图6。

压痕图片和测量报告均可以保存,如图7。

图7 保存布氏硬度测量报告
2. 2. 2手动测量
对自动测量无效的图像,可以选择手动测量。

当压痕边界无法自动识别时,系统会提示“请
改良图象质量或选择手动测量”。

此时,可选择工具栏中手动按钮,实现手动测量功能,如图8。

图8 手动测量布氏硬度
在压痕图像上出现了四条相互垂直的网格线,用鼠标拖动每条网格线,使其与压痕边缘相切,然后点击“HB圆”按钮测量硬度并显示测量结果。

3结语
利用计算机对图像处理和数据处理的强大优势,对传统方法和设备进行开发和改造,是非常有前景的。

我们在做布氏硬度测试实验的过程中,要求学生用读数显微镜和本系统分别测试
同一试样的布氏硬度,测试结果相同,而本系统测量操作更加方便、直观,测量结果更加精确。