布氏硬度相似原理及其應(yīng)用
在進(jìn)行布氏硬度試驗(yàn)時(shí)，照常理分析，即用同一球體對應(yīng)同一試樣，當(dāng)變換試驗(yàn)力時(shí)，凹印面積會(huì)有變化，試驗(yàn)力大壓痕深，凹印面積大；試驗(yàn)力小壓痕淺，凹印面積小，但單位面積上的抗力應(yīng)是相同的，即布氏硬度值應(yīng)為常數(shù)。對于不同硬軟的試樣，當(dāng)變換試驗(yàn)力時(shí)應(yīng)有對應(yīng)的差值 ，保證不同材料的可比性。實(shí)際上，在硬度檢測中試驗(yàn)力與球任意變換時(shí)，直徑的變化與凹印面積的變化在球冠與接年球徑處是非線性關(guān)系的，對于硬較差異大的材料，壓頭壓入深淺不同其應(yīng)力狀況也是復(fù)雜的。所以，上述理想狀況不存在。也就是說，在布氏硬度試驗(yàn)中，不能任意選擇壓頭和試驗(yàn)力，必須遵守一定的規(guī)則，這就提出了相似原理問題。
相似原理的應(yīng)用，在布氏硬度試驗(yàn)方法中非常重要的，對它應(yīng)有清楚的認(rèn)識(shí)和理解才能運(yùn)用自如和獲得較準(zhǔn)確以及可比較的數(shù)據(jù)。對于硬度不同的各種材料，如能采用變換試驗(yàn)力和相應(yīng)變換壓頭球徑的辦法獲得統(tǒng)一的壓入角，這就可能獲得準(zhǔn)確的可比的硬度值。但在實(shí)際工作中，由于材料的千差萬別，不同材料硬度值的變化范圍很大，目前還不能實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)要求。因此，進(jìn)行布氏硬度試驗(yàn)時(shí)，為了得到較理想的結(jié)果和技術(shù)上又便于實(shí)現(xiàn)的辦法，注意選擇試驗(yàn)力和球的合理搭配，控制壓入角和壓痕直徑在一定范圍內(nèi)變化，就能獲得對同一種材料有相同的硬度值；對不同硬度的材料能獲得可比較的硬度值的結(jié)果。
實(shí)踐證明，即使同一種材料，用固定直徑的球形壓頭，其硬度值隨著試驗(yàn)力的改變也會(huì)存在著差異。其關(guān)系見圖1。
圖1中球體直徑不變，僅試驗(yàn)力變化而引起球體壓入深度變化，壓痕和壓入角將相應(yīng)發(fā)生變化，圖1中是鋼球直徑為φ10 mm，布氏硬度值分別為228 HBS 10/3000/30；100 HBS 10/1000/30；16 HBS 10/500/30三種不同材料試樣。在變換試驗(yàn)力的情況下所得到的布氏硬度值與壓痕直徑之比的關(guān)系曲線。
由圖1可以看出，當(dāng)試樣硬度高，用直徑D=10 mm鋼球，試驗(yàn)力F為29.42 kN(3000 kgf)時(shí)，其壓痕直徑d等于0.24D，HB值低于220，如選用4.903 kN(500 kgf)試驗(yàn)力時(shí)，壓痕直徑小于0.2D，HB值更低一些。但當(dāng)試樣硬度較低時(shí)（46 HBS 試樣）用φ10 mm，鋼球若選 用29.42 kN(3000 kgf)試驗(yàn)力，其壓痕直徑d在0.8D以上，此時(shí)壓入角增大很多，硬度值僅相當(dāng)于30 HBS。對于這一試樣如選用4.903 kN（500 kgf）或90908 kN（1000 kfg）試驗(yàn)力，壓徑直徑落在0.24—0.6D之間，用4.903 kN試驗(yàn)力的壓痕直徑正好約為0.37D，得到的硬度值很準(zhǔn)確的。
從圖1和以上文字?jǐn)⑹鲋锌煽闯?，布氏硬度試?yàn)中，根據(jù)被試材料的硬軟、壓頭球徑大小和試驗(yàn)力大小的合理選用，可以控制壓痕直徑和壓入角的大小。根據(jù)GB 231.1-2002規(guī)定，壓痕直徑應(yīng)控制在0.24D—0.6D之間，最理想的直徑為0.375D，壓入角應(yīng)在28°—74°之間，最理想的為角為44°，此時(shí)球體壓印的外切交角為152°—106°之間，最理想的為136°。因此當(dāng)直徑低于0.24D或高于0.6D時(shí)都無法從壓痕直徑、試驗(yàn)力與硬度值對照表中查到數(shù)據(jù)。
沈陽天星試驗(yàn)儀器有限公司所生產(chǎn)的剪銷式布氏硬度計(jì)就是根據(jù)布氏的相似原理制造的。其試驗(yàn)力F=1580 kgf，壓頭直徑D=7.26 mm，F(xiàn)/D2值等于30，完全符合布氏相似性原理等效于3000 kfg力，10 mm球。