布氏硬度试验中的误差分析及解决

潘 伟

（西安铁路职业技术学院机电工程系力学实验室，陕西 西安 710014）

布氏硬度试验是应用较广泛的静力硬度试验方法，在大专院校的金属材料教学中也是必做的一个实验。布氏硬度试验原理是用一定直径的硬质合金球，在规定的试验力作用下压入试件表面，经过一定的试验力保持时间后卸除试验力测量留在试件表面压痕直径，以压痕表面积所承受的平均压力来表示布氏硬度值。在布氏硬度试验中，凡是影响压痕产生及测量的因素，均造成测量误差，并影响布氏硬度值。以HB3000布氏硬度计为例，根据布氏硬度试验原理及布氏硬度公式对试验时产生测量误差做一分析。

布氏硬度公式如下：

式中：HB-布氏硬度； F-试验力，单位N；S-压痕表面积，单位mm2：D-球压头直径，单位mm；h-压痕深度，单位mm；d-试件压痕直径， 单位：mm。

通过布氏硬度试验原理图和公式可以看出影响布氏硬度值的主要因素有以下几种：

1 载荷误差对硬度值的影响

通过布氏硬度公式和实践操作证明，试验力载荷误差超过±1.0%或不稳定就可造成硬度值出现较大误差。硬度值的变化与试验力误差成线性关系， 试验力载荷偏离规定的数值，则压痕大小就会发生变化。试验力偏大，压痕就增大，硬度值就偏低；反之，硬度值则偏高。其对低硬度的影响较大，对高硬度的影响较小。

造成试验力不准确的原因有：一是布氏硬度计的力点刀刃松动或载荷杠杆上的调整块位置不适当，排除方法是调整力点刀刃并拧紧或前后移动调整块位置达到标准试验力后固定紧。二是压缩弹簧锈蚀或布氏硬度计不平稳，解决办法是清洗生锈部位并上防护油或排除引起不平稳的因素。

2 试验力加载速度及保持时间不规范对硬度值的影响

在加力过程中，从加力开始到全部试验力施加完毕时间应在2～8秒之间。试验力加载速度越慢， 力的惯性越小， 试件变形过程就有充分的时间， 测得硬度值减小；随着试验力加载速度的增加， 材料变形时间缩短， 硬度值增大。造成试验力加载速度过快或过慢的主要原因是减速器用油粘度问题，应清洗减速器，更换减速器用油。

如果试验力保持时间较长， 则试件变形越充分， 压痕增大，硬度值减小；反之硬度值增大。为确保测量结果的统一和准确，最好采用金属布氏硬度试验标准进行，对于黑色金属，在中、高硬度时，试验力保持时间为10～15s，对有色金属，在中、低硬度时，试验力保持时间在28～32s。对于硬度较低的材料，硬度＜35HB，为使材料充分的塑性变形，保持时间在58～62s。

3 钢球压头直径D及F/D2值对硬度值的影响

钢球压头直径大小与硬度值的变化成线性关系， 钢球压头直径大， 则压痕就大， 所得硬度值偏低；相反，钢球压头直径小则硬度值偏高。旧的布氏硬度试验国家标准（GB231-63）中压头材料为淬火钢球，现在国家标准（GB231.1-2002）增加了硬质合金球（碳化钨钢球），从而使布氏硬度值的测量范围从原来＜450HB扩大到650HB。一般的淬火钢球压头硬度不够高时，当钢球压向试件时本身就会有变形，使压痕增大，硬度值变低。现在布氏硬度计多采用硬质合金球作为压头，因为碳化钨硬质合金钢球硬度与金刚石相近，压头变形很小，测试的硬度值更准确。从实际布氏硬度试验测试数据可以证明，同样的试件，淬火钢球压头测试的硬度值（HBS）比硬质合金球测试的硬度值（HBW）偏低。另一方面，压头表面粗糙度应不大于0.2μm， 因为对硬度较低的金属测试时，当钢球压入试样时， 会造成较大阻力， 使压痕减小，影响测试结果，导致硬度值偏高。

4 测距读数显微镜和压痕清晰程度对硬度值的影响

布氏硬度值一般是测量试件压痕直径后查表得出的，所以，测距读数显微镜的读数误差是造成布氏硬度值误差较大原因之一。读取布氏硬度压痕的相对误差会引起布氏硬度值两倍的误差。造成测距读数显微镜读取误差原因有：一是读数显微镜视场模糊影响压痕直径的测量。可用脱脂棉花蘸取少许酒精和乙醚的混合液擦洗透镜和分划板。但分划板不宜多洗，以免洗掉刻线。二是测量读数显微镜的刻度以标准刻度尺检查时误差过大。主要是物镜座与物镜管之间松动或其间垫圈已掉，改变了镜筒的长度。应该固紧物镜座或配上垫圈。其次是显微镜的放大倍数并不是越大越好， 要选泽适当。试样压痕边缘出现的凹凸或圆滑过渡等情况， 都可能增大压痕直径的测量误差。标准规定测量压痕直径最大误差应控制在±0.5%以内，则可有效地将布氏硬度值误差控制在最小范围内。

5 试样、环境及操作对硬度值的影响

试样表面的粗糙度和清洁度对布氏硬度值的测量都会产生误差， 一般而言， 试样表面越粗糙，抵抗试验力的能力就会下降，测定的硬度值就会偏低。油脂、氧化物或灰尘对试件表面的污染也会给硬度测量结果带来明显误差。试样更不允许存在表面缺陷，试验后试样边缘及背面呈现变形痕迹时， 则认为该试验无效， 因此， 新标准中规定布氏硬度试样厚度至少应为压痕深度的8倍。

在布氏硬度试验中，样品温度若升高，布氏硬度值就会降低，反之，布氏硬度值就会升高，所以，试验时的试样温度应保持在常温下。在试验操作中，还应注意试样压痕之间和压痕距试样边缘保持一定的间距，因为压痕周围变形产生的硬化区会使第二个压痕变形受阻，从而产生硬度值误差。所以，试验中应严格按照新的标准操作。标准规定：压痕距试样边缘的距离最少为压痕平均直径的2.5倍，两相邻压痕中心间距离最少为压痕平均直径的3倍。

通过分析可知，在布氏硬度试验中，只有对布氏硬度计的工作原理和标准充分理解，并对测量装置进行定期检查，才能准确快速地测量布氏硬度值，以减少硬度值测量的误差。