作者：Alex Austin，Foundrax Engineering Products Ltd.（富臻工程产品有限公司）执行董事
布氏硬度计最突出的特点是什么？您的热处理部门需要它吗？本文的设备概述能够帮助您作出决定。
所有的热处理企业都必须进行硬度测试，其中的许多都使用布氏硬度计。自1900年面世以来，这种方法已经经过了时间的考验。
布氏硬度测试需要将一个硬质合金球垂直压入被测材料表面，后者放置在一个高刚性砧座上。然后，至少测量所产生的压痕在x和y轴方向上的直径，将其平均值作为测量结果。根据这个数据，测试人员既可以通过公式确定硬度，也可以利用“直径-硬度”对照表读出硬度值。
布氏硬度测试可以采用不同的试验力和压头直径，适用于许多金属，但大多数测试都采用10毫米球形压头在3,000千克试验力下进行。大型落地式布氏硬度计的压头通常由电机驱动，还有些使用杠杆和砝码，另外也有液压或气动类型。
布氏硬度测试是许多热处理企业首选的硬度测量方法，这主要是由于三个方面的原因。
1. 表面处理
使用研磨机对布氏硬度测试样品的表面进行处理只需要几秒钟。只要样品在砧座上安放稳固，使样品的上表面与压头施加试验力的方向垂直——这是测试标准的强制要求——表面就不需要特别光滑。
2. 表面沾染
表面有少量沾染物不太可能造成布氏硬度测试“失误”。与之相比，各个行业采用最多的洛氏硬度测试采用很小的金刚石压头在样品表面压出深度小于百分之一英寸的压痕，任何可能阻碍或促进压头推进的沾染物或表面异常情况（包括平行度在内）都会带来问题。这意味着，洛氏硬度测试样品必须在进行测试之前仔细地处理。
- 广告 -
3. 便携性
在配备液压测头的情况下，性能可靠、坚固耐用、可以手持的便携式布氏硬度计也许能够在现场完成表面粗糙的大型、重型和异型部件的测试。这一特点对业界非常重要，因为国际标准机构对便携式设备有专门的宽松规定——尽管它们的性能不像落地式设备那样可以直接进行验证。
由于试验力大到3,000千克，小到1千克，而球形压头最小只有1毫米，所以布氏硬度测试能够用于众多金属材料，而且在锻造厂、铸造厂、热处理厂、质量控制部门和实验室很可能都会看到采用10毫米/3,000千克测试条件的布氏硬度测试设备。
前面提到，测试样品的表面不需要特别光滑，事实上粗糙的材料表面也能非常安全地测试，因为压痕的直径相对于表面上的任何不规则性来说都足够大。
图1. 一台标定级布氏硬度计的局部特写
在图1中，一台标定级布氏硬度计正在将硬质合金压球压入测试样品。球形压头被夹持在适当的位置，以稳定产生塑性变形。
ASTM E-10和ISO 6506——关于布氏硬度测试的权威文件——对相关要求有非常详细的描述，但对工厂的技术人员来说，实际操作非常简单，只需要不超过1小时的培训就可以掌握。在测试锻件、钢坯和其他样品时，一个压痕就应当足够；但在一些重要的应用中，为确保结果准确可能需要不止一个压痕。
一批样品中的每一个是否都需要测试？这个问题取决于这些样品之间的差异有多大，而与布氏硬度测试本身没有任何关系。
某些行业要求测试每一件产品，因为出现问题的可能性很大。坦克和其他装甲车辆的履带链节的生产，就是这方面的一个很好的例子。英国陆军使用的每条坦克履带上的每一个链节都在高速全自动布氏硬度计（见图2）上进行了测试，后者配备了一个强有力的集成式夹具，能够在测试过程中确保部件的稳固性。如果细心操作，一台重型布氏硬度计能够执行几十万次测试。图2所示的这台硬度计已经测试了几百万次。
图2. 现场的重型布氏硬度计
测试需要大约15秒钟。压头必须均匀地压入材料，既不能产生回弹，也不能采用会使压头“撞进”材料内的速度。而且，对金属施加试验力的时间必须足够长，以确保恰当地（塑性）变形产生压痕。这样，当压头退出后压痕产生轻微收缩的可能性被降到最低。
- 广告 -
压痕的测量更有挑战性。在仔细压出压痕和将测试样品从硬度计的“夹爪”中取出后，必须沿至少两条直径测量压痕。由于布氏压痕最大直径为6毫米，直径相差0.2毫米可能等于硬度值相差20，所以精确的测量至关重要——但这很有难度。大多数技术人员会使用光学显微镜进行压痕测量，但即使这样也并不容易（见图3）。
图3. 布氏硬度测试压痕的测量
产生压痕时会在压痕周边形成一道“凸起”，因为金属不仅被向下挤压，也被压向侧面。这道凸起会使压痕的真正起始点变得模糊不清，三个不同的技术人员很容易判定三个不同的起始点。技术人员对结果解读的这种差异，就是八十多年来布氏硬度测试被工厂的机械工人认为“简单但可用”，而实验室的科学家却可能不这么认为的原因。
人工测量用显微镜多年来不断改进，“相对清楚”的压痕边缘和清晰明亮的网格线让有经验的技术人员能够比较容易地进行准确的测量。图4展示了相比于图3的改进。即便如此，我们怎样才能知道自己判断的边缘位置是否真的准确呢？
图4. 使用改进的显微镜和清晰明亮的网格线进行的测量
1982年，第一种自动读取系统面世。长期的研究积累和使用的专有软件使当时的计算机能力发挥到了极致。系统在一瞬间就能对压痕进行几百次测量并计算出平均直径。此后不久，它就成为了布氏硬度计不可缺少的一部分。
石油工具行业的那些挑剔的用户很快就听说了关于这种系统的消息，它们强制要求它们的供应商使用该系统。在15年内，这项技术就得到广泛应用，布氏硬度测试的精度大幅提高。从某种意义上来说，布氏硬度测试已经成熟。图5展示了一台正在使用中的最新款自动显微镜。
图5. 正在使用中的最新款自动显微镜
最后，像所有重要的测量设备一样，定期标定和保养即使不是强制性的，也是最好去做的。制造商通常会规定一个必须考虑的维修时间表，还会提供国际机构制定的标定规范。
在考虑热处理样品的硬度测试方法时，可以有三个选择：布氏硬度，洛氏硬度，以及显微硬度（维氏或努氏）。
虽然布氏硬度测试并不适用于很小或很薄的样品，但它相对来说不太受细小沾染物的影响，压头比较便宜，压痕的宽度使得被测表面即使粗糙一些也没有问题。随着可靠的自动压痕测量技术的发展，布氏硬度测试的一个很大的难题得到解决，为包括石油天然气、航空、防务和交通运输在内的众多行业的关键部件供应商提供了至关重要的保障。
（照片来源：富臻工程产品有限公司）
作者简介
Alex Austin从2002年以来一直担任富臻工程产品有限公司（Foundrax Engineering Products Ltd.）执行董事。富臻公司自1948年起提供布氏硬度测试设备，是世界上唯一一家真正专注于这个领域的公司。 Alex还是英国标准协会ISE/101/05压痕硬度测试委员会成员。作为国际标准组织的一名英国代表，他参与了ISO 6506标准“金属材料——布氏硬度测试”的制订，目前还担任该标准修订工作组的主席和召集人。
如需了解更多信息，请登录：www.foundrax.co/uk。
备注：本文将刊登在2023年12月新钢文化出版的《Industrial Heating》热处理会刊上。
- 其他相关文章（点击即可阅读）-
关注微信公众号，可阅读电子版文章。
Newsteel Media 新钢文化 - 打造热处理行业国际交流平台
新钢文化办公室：贵州 | 大连 | 深圳 | 北京
联系人：黄烨 13410127468，刘小小 15889600880，邹显会19385324985，宋茂彬 13704089520，罗莉 13554866229，罗扬13701266684
