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硬度是衡量材料软硬程度的一个性能指标。布氏硬度(Brinell Hardness)由瑞典工程师布林南尔于1900年提出。现已成为最常用的硬度试验法之一,采用静负荷压入法,其值表示材料表面抵抗坚硬物体压入的能力。
布氏硬度的国家标准最早是GB/T231-84《金属布氏硬度试验方法》,1984年04月09日发布,1986年03月01日实施,标准规定,布氏硬度试验用钢球压头进行试验的用HBS表示,适用于布氏硬度值在45以下的材料;用硬质合金球头试验的用HBW表示,适用于布氏硬度值在650以下的数值;同时有小字注明,硬度值超过350时,两者得到的试验数值明显不同。有经验表明,同样的试块,当其它试验条件完全相同的情况下,两种试验结果不同,HBW值往往大于HBS值,而且并无定量的规律所循,造成这种差异的原因是:随着被检材料硬度的提高,因为淬硬钢球在压入被检材料时,自身的变形会越来越大,从而造成越来越大的测量误差。
从2003年06月01日开始,布氏硬度开始执行新的国家标准:GB/T231-2002《金属布氏硬度试验》,该标准等效于国际标准BS EN ISO 6506-1《Metallic materials-Brinell Hardness test》,本标准取消了钢球压头,全部采用硬质合金球头。因此HBS停止使用,全部用HBW表示布氏硬度符号。
布氏硬度的现行标准为GB/T231-2009,2010年04月01日实施,该标准继续等效于BS EN ISO 6506-1,在试验压头和硬度表示方面继续沿用GB/T231.1-2002标准。也就是说,现行标准中不存在HB和HBS的说法,布氏硬度的唯一表示方式是HBW。
布氏硬度测定原理是用一定大小的试验力F(N),把直径为D(mm)的淬火钢球或硬质合金球压入被测金属的表面,保持规定时间后卸除试验力,用读数显微镜测出压痕平均直径d (mm),然后按公式求出硬度值。由于金属材料有硬有软,被测工件有厚有薄,有大有小,如果只采用一种标准的试验力F和压头直径D,就会出现对某些工件和材料的不适应的现象。因此,在生产中进行布氏硬度试验时,要求能使用不同大小的试验力和压头直径,对于同一种材料采用不同的F和D进行试验时,能否得到同一的布氏硬度值,关键在于压痕几何形状的相似,即可建立F和D的某种选配关系,以保证布氏硬度的不变性。
布氏硬度一般有4种压头,10、5、2.5、1mm,试验时依据材料大概的硬度范围和材质选择试验力-球直径平方的比率,再依据试件的厚度和机器实际的试验力选择相对应的试验力和压头。试验力应保证压痕直径d=(0.24-0.6)D,结果才有效。为了保证在尽可能大的代表性的试样区域试验,应尽可能选取大直径压头;当试样尺寸条件允许时,应优先选用10mm的球压头进行试验。任一压痕中心距离试样边缘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应为压痕平均直径的3倍;应在两相互垂直方向上测量压痕直径,用平均值计算布氏硬度。
布氏硬度值越小,材料越软,其压痕直径越大;反之,布氏硬度值越大,材料越硬,其压痕直径越小。比如:170HBW10/1000/30表示用直径10mm的钢球,在9807 N(1000kgf)的试验载荷作用下,保持30s时测得的布氏硬度值为170;530HBW5/750表示用直径5 mm的硬质合金球,在7355N(750kgf)的试验载荷作用下,保持10~15s时测得的布氏硬度值为530。布氏硬度测量的优点是具有较高的测量精度,压痕面积大,能在较大范围内反映材料的平均硬度,测得的硬度值也较准确,数据重复性强。比如铁基、铜基粉末冶金材料,材料本身存在着空隙,不可避免的存在着一些软点,这类材料适宜于采用布氏硬度测试。
布氏硬度试验的一般试样要求是:①试样表面应光滑和平坦,并且不应有氧化皮及外界污物,尤其不应有油脂;试样表面应能保证压痕直径的精确测量,表面粗糙度参数Ra一般不大于1. 6 um;②制备试样时,应使过热或冷加工等因素对表面性能的影响减至最小;③试样厚度至少应为压痕深度的8倍;试验后,试样背后如出现可见变形,则表明试样太薄。
硬度是材料抵抗其他更硬物体压入其表面的能力,它是衡量金属材料软硬的指标。从布氏硬度计算公式上看,布氏硬度的单位是N/mm2,也就是MPa;从计算所得数值和硬度值对应关系上看,布氏硬度的单位是Kgf/mm2,比如压头直径为10mm,压力为3000 Kgf(29420N),压痕直径为4mm,根据布氏硬度公式,算出来的值分别是2244 N/mm2、228.8Kgf/mm2(周以足. 详究布氏硬度单位.pdf. 职业技术教育[J], 1996.06:35),查得的硬度数值是229,有此可见硬度数值和Kgf/mm2对应的更好。布氏硬度的单位现行标准中没有明确说明,我们只要按照标准中的规定去书写就可以了。本人认为布氏硬度本身就是硬度的一个单位,要继续追问布氏硬度到底有没有单位,已经没有实在意义了,这就好比分钟是时间的一个单位,还要再继续追问分钟有没有单位。布氏硬度数值到底和材料强度有什么关系呢,某材料布氏硬度为229HBW,是否就意味着该材料的强度是229 N/mm2或229Kgf/mm2呢?答案是否定的。材料的硬度值与强度值有一定的经验关系,对钢来说,二者关系近似线性,即:σb≈9.8/3 HBW(MPa)(在150~400HBW之间时)。
布氏硬度和其它硬度之间没有理论上的换算关系,但它们之间存在一些近似关系,这些近似关系只是一定范围内近似成立,比如:当硬度在200-600HBW范围内, HBW≈10HRC,当硬度小于450HBW时, HBW≈HV等,更详细更准确的硬度转换可以参考标准ASTM E 140-05e1《Hardness Conversion Tables for Metals Relationship Among Brinell Hardness, Vickers Hardness, Rockwell Hardness, Superficial Hardness, Knoop》。
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作者简介:李其龙,男,硕士学历,主要从事材料科学与机械加工方面的研究。Email:li-qilong@163.com
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