现场布氏硬度检测技术

张红军

摘 要：硬度是材料最重要的参数之一，一定程度上反映了材料强度及刚度等性质，因此，材料的硬度测试在生产过程中具有非常重要的意义。布氏硬度作为最早提出的硬度测试方法之一，以其测量精确度高、可重复性好等优点，得到了广泛应用。因此，工业现场亟需一种便携的硬度测试压痕测量装置，实现高精度自动化测量。文章对现场布氏硬度检测技术进行了研究分析，以供参考。

关键词：布氏硬度;检测技术

1 前言

随着制造业的发展，对原材料及零部件的力学性能要求越来越高。在冶金、电力、石油机械、轨道車辆、汽车、军工装备等领域，都需要在生产现场检测金属材料及大型零件的本体硬度，特别是要求检测布氏硬度，许多产品还要求进行逐件检测。布氏硬度检测的优点是代表性好，由于通常采用的是29 420N（3 000kgf）试验力、直径10mm球压头进行试验，因此其压痕面积较大，能够真实反映较大范围内金属各组成相综合影响的平均硬度值，而不受个别组成相及微小不均匀的影响。布氏硬度检测试验数据稳定、重现性好、精度高，特别是金属材料的布氏硬度值与抗拉强度值之间存在较好的对应关系，因此布氏硬度检测得到了广泛的应用。布氏硬度试验的缺点是压痕较大，对成品检测较困难。另外，测试操作较麻烦，不能直接得到测试结果，需要先用光学显微镜测出压痕直径，再查表才能得到布氏硬度值，因而检测效率低，测试过程中还可能会带入一定的人为误差。

2 检测原理

用一定直径的球体，以规定的试验力（F）压入式样表面，保持一定时间后卸除试验力，测量试样表面的压痕直径（d）。用试验力除以压痕球形表面积来计算布氏硬度值。以HBS（钢球）表示，单位为N/mm2（MPa）。一、计算公式：HB=F/S/=F/π（d/2）2式中：F-压入金属试样表面的试验力，N;S-压痕表面积，mm2 D-试验用钢球直径，mm;d-压痕平均直径，mm。

3 布氏硬度计

布氏硬度计分为手动布氏硬度计和自动硬度计。随着科技的发展市面上还出现了智能化布氏硬度测量分析系统。操作更简便，数值更精准。国标GB/T231-2002《金属硬度试验第二部分：硬度计的检验与校准规定》对布氏硬度计进行了要求。以保证布氏硬度计对试验产生的误差更小。标准中对布氏硬度计的检验分为布氏硬度计基本功能的直接检验和检查硬度计综合性能的间接检验。a布氏硬度计的直接检验包括a试验力的检查b压头的检查。c布氏硬度计压痕测量装置的检验b布氏硬度计的间接检验：使用标准布氏硬度块进行。

4 现场大型布氏硬度机

应用于生产现场的大型布氏硬度机有摇臂式和门式两种。

4.1 摇臂式布氏硬度机

由底台、立柱、摇臂、垂直移动单元、测量头、电控箱、压痕读数装置及测量台组成。立柱可以安装在底台上，也可安装在地面上，摇臂安装在立柱上，垂直移动单元安装在摇臂上，其下端是测量头，电控箱和压痕测量装置安装在立柱上。摇臂可以沿立柱做180°旋转，垂直移动单元可以沿横梁进行横向移动，机器最大喉深600mm。测量时，垂直移动单元可以带着测量头沿垂直方向移动，移动范围可以从距地面300mm到900mm。如果在立柱的3个不同方向上放置3个不同高度的测量台，就可以分别测试3种不同高度范围的工件。施加试验力由电脑控制伺服电机完成，由力传感器测出试验力的大小，再控制伺服电机，实现力的闭环控制。开始测量后机器会自动完成测量头向下移动、加力、保持试验力、卸力、测量头回到初始位置等动作。在电控箱的触摸屏上可以进行参数设置，还可以进行测量值校正。压痕测量装置由显示屏和测量头组成，该套装置可以针对各种测量面上的布氏硬度压痕进行100%的自动检测。测量面的处理方式可以是角磨机、砂轮机打磨的，也可以是车床、铣床、磨床加工的，只要人眼能识别，机器就能识别，且无需使用鼠标。测量压痕时，只要将测量头放到压痕上，按键后显示器就会立刻显示出压痕图像、压痕直径和对应的布氏硬度值。该种摇臂式布氏硬度机加力精度可达到±0.5%，其布氏硬度的测试精度等于或高于台式硬度计的。

4.2 门式布氏硬度机

由底台、钢轨、载物车、门架、垂直移动单元、测量头、电控柜及压痕测量装置组成。门架和钢轨可以安装在底台上，也可以安装在车间地面上，垂直移动单元安装在门架上，硬度测量头位于垂直移动单元的下端，压痕测量装置的显示器位于门架立柱上，压痕测量头安装在硬度测量头旁侧。载物车的移动、垂直移动单元沿门架横梁的移动及测量头的垂直移动都可以在计算机的控制下按照预先设置的坐标自动完成。力传感器测出试验力，由电脑控制伺服电机实现力的闭环控制。测量时测量头可以自动完成下移、加力、保持试验力、卸力、回到初始位置等动作。压出压痕后，压痕测量头自动移动到压痕上方，显示器上立刻显示出压痕图像、压痕直径和对应的布氏硬度值。在电控柜的触摸屏上可以进行参数设置，也可以进行测量值校正。门式布氏硬度机的突出特点是应用起来比较灵活。在不采用底台的情况下，原则上轨道长度可以任意设计，可以一直通到热处理炉旁边。载物车可以用一台，也可以用两台。用一台时可以测试一件大型零件，用两台时可以测试一件大轴、大轧辊或大型钢管，载物车上还可以设计翻转机构，这样就可以测试一件大轴曲面上的任意部位。门架的高度和宽度以及测量头垂直移动距离，在一定范围内都可以按需设计。当被测件是同一规格的多件工件时，在满足工件摆放到同一位置、同一角度、打磨同一区域的条件下，可以在测试完成第一件工件之后将测试点的坐标输入机器，在此后的测试中，机器可以自动按照坐标寻找测试点，自动完成后续测试。门式布氏硬度机在配备自动铣削单元后可以被设置在一条自动化生产线上，与探伤设备串联起来，作为自动检测线的一部分，载物车可以被一套自动输送设备和翻转机构代替。

5 结束语

由于硬度检测技术的快速进步，以往被认为比较难于解决的现场布氏硬度检测问题已经得到了较好的解决。目前，对于某一个产品的现场硬度检测问题常常可以有不同的解决方案可供选择，在许多情况下，可以不再采用里氏硬度计那种不规范的、精度低、可靠性差、容易引起供需双方争议的硬度计来代替布氏硬度计。新型现场布氏硬度在线自动检测设备的使用可大大提高企业的质量管理水平，促进相关产品的技术进步。

参考文献

[1]李久林《金属硬度试验方法实施指南》