材料的布洛维硬度的测量

专业实验（1）

十：布洛维硬度试验讲义

一、实验目的

掌握布洛维硬度的基本原理；熟悉布洛维硬度测量的基本方法和步骤；了解各种硬度试验方法的特点、应用范围及选用原则；熟悉硬度计的使用。

二、预习要求

实验前预习实验原理，撰写预习报告。

三、仪器设备

布洛维光学硬度计

四、布洛维硬度实验原理

（一）金属布氏硬度实验原理

布氏硬度试验的原理是用一定直径D （单位为mm ）的硬质合金球，施以相应的试验力F （单位为kgf 或N ）压入试样表面（图1a ），经规定保持时间t （单位为s ）后卸除试验力，试样表面将残留压痕（图1b ）。测量压痕平均直径d （单位为mm ），求得压痕球形表面积S

（mm 2

）。布氏硬度值（HB ）就是试验力F 除以压痕球形表面积S 所得的商。其计算公式如下：

当试验力F 的单位为kgf 时

)(222d D D D F

S

F HB --=

=

π （1）

当试验力F 的单位为N 时

)(204.0102.022d D D D F

S

F

HB --==π （2）

通常布氏硬度值不标出单位。

图1 布氏硬度试验原理图

a)钢球压入试样表面 b ）试样表面残留压痕

布氏硬度的符号用HBW 表示。符号HBW 之前书写硬度值，符号后面按下列顺序用数值表示试验条件：球体直径（mm ）／试验力（以Kgf 表示）／试验力保持时间（10～15s 不标注）。例如，350HBw10／1000／30表示用直径为10mm 的硬质合金球在1000Kgf （9．807kN ）试验力作用下，保持30s 测得 布氏硬度为350。又如，600HBW1/30即表示用直径为1mm 的硬质合金球在了30kgf 以（294.2N ）试验力作用下，保持10～15s 测得的布氏硬度值为600。

图2 压痕相似原理

对于材料相同而厚薄不同的工件，为了测得相同的布氏硬度值，在选配压头直径D 及试验力F 时，应保证得到几何相似的压痕（即压痕的压入角φ保持不变），如图2所示。为此，应使：

常数==

==

2

22

221

1D F D F D F

附表1为不同条件下的实验力。 1. 实验力及球体直径的选择

实验力的选择应保证压痕直径d 在0.24～0.6D 之间。实验力－压头直径平方的比率

（0.102F/ D 2

）应根据材料和硬度值选择，见附表2。

球体直径D 规定有四种：10、5、2.5和1mm 。主要根据试样厚度来选择。为了反映试样尽量大面积上的硬度值，应在试样厚度允许的前提下，尽量选择大直径球体压头进行实验。试样厚度至少为压痕深度的8倍。附表3列出压头直径（D ）、压痕平均直径（d ）与试样最小厚度（mm ）的关系，可用于根据试样厚度选择压头直径，也可用于确定试样最小厚度。

F/D 2

比值规定有六种：30、15、10、5、2.5和1。主要根据试样的材料及其硬度范围，按照表1－2来选择。

当球体直径D 及F/D 2

比值确定后）试验力F 也就随之被确定了。 2. 试验力保持时间t 的选择

试验力保持时间因试样材料的硬度而不同。对于黑色金属为10～15s ； 对于有色金属为30±2s ；对于<35HBS 的材料为60±2s 。 3. 实验一般在10-35℃室温进行。

4. 实验期间，硬度计不应受到影响实验结果的冲击和震动。

5. 试样应放置在刚性支撑物上，试样背面和支撑物之间应保持清洁。

6. 任一压痕中心距试样边缘的距离至少为压痕平均直径的2.5倍。两相邻压痕中心间距离

至少为压痕直径的3倍。

7. 应在两相互垂直的方向测量压痕直径，用两读数的平均值计算硬度值。

（二）金属维氏硬度实验原理

维氏硬度的试验原理与布氏硬度类似，也是根据压痕单位面积所承受的试验力来计算硬度值。所不同的是维氏硬度试验的压头不是球体而是两对面夹角α为136°的金刚石四棱锥体。其试验原理如图3所示。压头在试验力F （单位为kgf 或N ）作用下，将试样表面压出一个四方锥形的压痕，经规定保持时间后，卸除试验力，测量出压痕对角线平均长度d 〔d ＝（d 1＋d 2）/2〕，用以计算压痕的表面积。维氏硬度值（HV ）就是试验力F 除以压痕表面积S 所得的商值。计算公式如下：

当试验力下的单位为kgf 时

2

2

8544.1)

2/136(2d F d

FSin S

F HV ==

= （3）

当试验力下的单位为N 时

22

1891.0)

2/136(204.0102.0d F d

FSin S

F HV ==

=

（4）

图3 维氏硬度试验原理图

与布氏硬度值一样，维氏硬度值也不标注单位。维氏硬度值的表示方法是：在HV 前书写硬度值，HV 后面按顺序用数字表示试验条件（试验力/试验力保持时间）（保持时间为10～15s 者不标注）。例如，640Hv30表示用30kgf （294.2N ）试验力保持10-15s 测得的维氏硬度值为640,640Hv30/20表示用30kgf （294.2N ）试验力保持20s 测得的维氏硬度值为640。

维氏硬度试验的试验力为5（49.03）、10（98.07）、20（196.1）、30（294.2）、50（490.3）和100（980.7）kgf （N ）六个档次。特殊情况下也可使用大于100kgf 的载荷。实验力可根据试样材料的硬度及厚度来选择。试样和试样厚度至少应为压痕对角线长度的1.5倍（见附表4）。

1. 实验一般在10-35℃室温进行。

2. 实验力保压时间为10～15s ，对于特殊材料，保压时间可以延长，但是误差应该保

持在±2s 之内。

3. 在整个实验过程中，硬度计应避免受到冲击和震动。

4. 任一压痕距离边缘，对于钢、铜及铜合金至少应为对角线长度的2.5倍；对于轻

金属、铅、锡合金至少应为压痕对角线长度的3倍。两压痕中心之间的距离，对于钢、铜及铜合金至少应为对角线长度的3倍；对于轻金属、铅、锡合金至少应为压痕对角线长度的6倍。

5. 应测量压痕两个对角线的长度，用两读数的平均值计算硬度值。