布氏硬度的误差分析

王玉峰（天津冶金集团中兴盛达钢业有限公司，天津301616）

布氏硬度的误差分析

王玉峰
（天津冶金集团中兴盛达钢业有限公司，天津301616）

介绍了布氏硬度试验的原理与特点，分析了负荷误差，钢球误差，压痕直径的测量误差，负荷保持时间等影响布氏硬度值准确性的因素，并提出减少布氏硬度误差的方法，提高了布氏硬度值测量准确度。

布氏硬度；负荷；硬度值；钢球；压痕；误差

1 引言

在我们日常生活、科研工作中，对材料、产品及零部件进行硬度测试是非常广泛的，布氏硬度的测量方法与维氏硬度的测量方法相似，对不同的材料应选择不同的硬度测试方法。计量检定资质是由质量技术监督管理局授权，具有权威性、合法性、准确性。通过对布氏硬度的试验方法进行误差分析，这对于保证产品质量，保证硬度试验数据准确，可靠是必不可少的。

2 布氏硬度试验的原理与特点

2.1 布氏硬度试验的原理

布氏硬度测定的原理是用一定直径D的钢球在一定负荷P的作用下，压入被测金属的表面并保持一定时间后卸除负荷。以压痕的单位面积上所承受的负荷表示金属的硬度，如图1所示。并用下式计算：

式中，HBS为布氏硬度，N/mm2；P施力m的负荷，N；F为压痕的表面积，mm2；H为压痕的深度，mm；D钢球直径，mm；d为压痕直径，mm。

图1 布氏硬度试验原理图

由公式（1）可知，在P和D一定的条件下，布氏硬度值的高低，取决于压痕深度h的大小，二者成反比。压痕深度h大。说明金属变形抗力小，故硬度值低，反之则硬度值高。测量压痕d代替测量压痕深度h。

2.2 布氏硬度试验的特点

能测定出材料的综合性能。由于采用的负荷及钢球较大压痕也较大，故适合于铸铁及轴承合金和具有粗大晶粒金属材料的硬度测定。

试验数据稳定、可靠、精度高。

操作简单迅速、使用方便。

与其它机械性能试验相比，试验件的制备也比较简单。

3 影响布氏硬度示值准确性的因素与分析

3.1 负荷误差对硬度值的影响

试验力的精度是硬度计的重要指标，它将直接影响硬度值的准确性。硬度值的变化与试验力误差成线性关系，试验力偏离规定的数值，则压痕也随之发生变化。试验力偏大，压痕随之增大，则硬度值偏低；反之，硬度值偏高。其对低硬度的影响较大，对高硬度的影响较小。所以要提高硬度测量值的准确性，就必须减少试验力的误差，这就要求通过对硬度计的精心安装调试和周期检定来保证。

即：ΔHBS/HBS=ΔP/P。

为了测定负荷误差对硬度值的影响，在直接加荷硬度计上进行了试验。通过试验，理论分析与试验结果基本上是一致的，即负荷误差为±1%时，硬度值的变化也近似±1%，只有当硬度较高时，硬度值的某些变化小于±1%，这是由于硬度值增高，材料的弹性变形增大了，压痕的弹性恢复量增大，致使结果有某些增高现象。

由于振动和长期使用，布氏硬度计中，刀子和刀垫产生松动现象，改变了杠杆比，增大了负荷误差变动度，刀刃的严重磨损，降低了负荷的灵敏性，机体前后不水平，使刀刃受力不均匀，容易很快磨损，增大了负荷误差，降低了硬度值。

3.2 钢球误差对硬度值的影响

钢球是布氏硬度试验的标准工具之一，所谓“标准”只是相对的，不可能做的与名义尺寸完全一致，由于制造时的尺寸公差，圆度及钢球在负荷作用下的弹性变形和塑性变形，都直接影响硬度值的准确性。由于钢球直径变化了ΔD，压痕直径d也将发生变化，可用下式表示：式中，a为取决于试件材料的常数。

当n=2时，压痕直径d与钢球直径D的变化无关：当n＞2时，随着钢球直径的增加，压痕直径将增加；如果n＜2，随着钢球直径的增加，压痕直径将减小。钢球直径每变化±0.1 mm时其硬度值的变化，对于硬度HBS10/1000/30 84±0.29%，对于硬度HBS10/3000/30 184为±0.25

在负荷的作用下，钢球呈现弹性变形和塑性变形状态与理想球体比较，则压痕直径产生了误差。由于其产生弹性变形，使得钢球呈现椭圆状体（半径为R）R＞D/2，引起压痕增大。被测材料的硬度越高，弹性变形就越大，其对硬度值的影响越大。

可以看出，压头弹性变形引起的硬度值误差，可能比塑性变形引起的硬度值误差大好几倍，所以布氏硬度试验用的钢球压头的硬度规定大于HV850，而被测试件的硬度不得大于HBS450。

钢球硬度的不均匀性也会对布氏硬度的测试结果有某些影响。

3.3 压痕直径的测量误差对硬度值的影响

硬度值是通过测量试验件的压痕直径得出相应结果。读数显微镜用于测定直径的长度值，从而从布氏硬度值参照表中查询到相应硬度值得出结果。人眼读数一定会产生误差，这也是最终硬度值产生误差的主要原因之一。造成测距读数显微镜读取误差原因有：一读数显微镜镜片模糊会造成测距读数不准确，可用棉签蘸少量酒精来擦拭镜片。分划板不必多次擦拭，久之会影响刻度线的清晰度，以至于无法读数。二读数显微镜标尺精度不准，需要对标尺进行校准。再选择显微镜的位数时，一定要选适合的倍数，并不是越高倍数的显微镜就越好。

测量人员的熟练程度，包括仪器操作，照明的调整，对角线的误差及读数误差。对线的误差与压痕轮廓的清晰度有很大关系。一般在压痕轮廓清晰的情况下，熟练测量人员的对线误差为0.2个分度。而读数误差（包括对线误差）属于偶然误差，测量次数越多，则其平均值也越接近真值，精度也越高。对于不熟练的测量人员，在测量压痕时，应反复对线三次，取其居于中间的值，作为测量结果，以降低误差。

压痕轮廓的清晰度是影响测量结果准确性的重要因素之一。压痕轮廓越清晰，读数的分散性就越小。

3.4 负荷保持时间对硬度值的影响

负荷保持时间对硬度值是有影响的，在所用压头，加荷速度不变的情况下，只改变负荷保持时间，进行硬度测试，试验结果得出，随着保荷时间的增长，硬度值降低。从试验中得出，保荷时间0～30 s的变化尤为显著，而30～65 s时，其变化就不显著了。所以负荷保持时间一般选为30 s较为合适。

4 总结

综上所述，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。

［1 ］J J G 1 5 0-2 0 0 5，金属布氏硬度计检定规程［S ］.

［2］周飞.布氏硬度测量误差分析［J ］.计量与测试技术，2 0 1 1 （3）：3 2.

［3］潘伟.布氏硬度试验中的误差分析及解决［J ］.中国建筑金属结构，2 0 1 3 （0 1 X）：1 4 9.

［4］代燕.布氏硬度试验误差分析及排除［J ］.武钢技术，2 0 0 6，4 4 （4）：4 7-5 0.

Analysis on Error at Brinell Hardness

WANG Yu-feng
（Tianjin Metallurgy Group Zhongxing Shengda Steel Industry Co.，Ltd.，Tianjin 301616，China）

The author introduces the principle and characteristics of brinell hardness test，analyzes load error，steel ball error and the measuring error of indentation diameter and factors influencing the accuracy of brinell hardness value such as load holding time，and proposes the method minimizing the error at brinell hardness，which improves the accuracy of the measurement of brinell hardness value.

brinell hardness；load；hardness value；steel ball；indentation；error

10.3969/j.issn.1006-110X.2016.02.020

2015-10-13

2015-11-02

王玉峰（1965—），男，本科，主要从事计量检定方面的研究工作。