PHB-1 锤击布氏硬度计检测验证

张 锦，李 滨，杨金龙，翟惠斌，马荣华，王 明，南 剑，贾成玺

（1.共享装备股份有限公司检测中心（宁夏先进铸造重点实验室），宁夏 银川 750021；2.宁夏特种设备检验检测院，宁夏 银川 750001）

PHB 锤击硬度计采用C 型架实现静态布氏硬度计功能，即PHB-150 便携布氏硬度计，如图1 所示，采用锤击方式施力时可实现动态功能，即PHB-1 型锤击硬度计，如图2 所示。此仪器采用布氏硬度试验原理，通过静态或锤击方式施加试验力F=1 580 kg，压头球面直径D=7.26 mm，F/D2值等于30，根据布氏硬度试验的相似性原理，试验结果等效于标准的3 000 kg 力，10 mm 球的布氏硬度测试条件。作为锤击硬度计F=1 580 kg 时受到冲击的剪切销才能被冲断，此时F/D2值等于30，测量检测面上留下的压痕直径查表可得到布氏硬度值，测示误差±5%，如果剪切销没有冲断检测视为无效。本文通过此硬度计的实际检测结果比对来说明此硬度计的检测准确性、适应的检测范围。

1 试验材料和试样制备

利用铸钢GP280GH、B50A178H、ZG06Cr13Ni4Mo及铸铁等材料的试块加工成大约150 mm×80 mm×60 mm 矩形试块，经铣平、抛光至满足布氏硬度检测标准要求后进行HB-3000、PHB 锤击及HRC 锤击硬度（老式锤击）检测对比。

图1 便携式布氏硬度计

图2 锤击式布氏硬度计

2 不同硬度计不同硬度标块检测对比

参考GB/T 231.1-2018《金属材料布氏硬度试验第1 部分：试验方法》及JJG150-2005 金属布氏硬度计检定规程，需对HBW≤125、125＜HBW≤225、HBW＞225 的布氏硬度标准块进行示值检测，误差允许值如表1；选择不同硬度值范围的标准布氏硬度块，用HB-3000 型布氏硬度计对不同硬度标块检测，检测误差均符合JJG150 检定规程要求，如表1；相同标块分别使用PHB 锤击硬度计和HRC老式锤击硬度计检测，在JJF1595-2016 携带式布氏硬度计校准规范要求的175～225 硬度值范围内，误差附合此规范的±8%要求，并符合JJG150 布氏硬度计检定规程要求，低于JJF1595 范围的标块如115HBW 的标块检测严重超差，但高于JJF1595 范围的标块检测合格并附合JJG150 布氏硬度计检定规程要求，比较明显的是在低范围硬度偏低严重；HRC 锤击布氏硬度计整体误差高于PHB 锤击硬度计，检则结果及误差如表1.

表1 各硬度计标准试块示值检查表

3 实际试样检测及结果讨论：

3.1 铸钢材料检测结果分析

对准备好的各铸钢材料各硬度范围的试块分别用HB-3000 标准布氏硬度计、PHB 锤击布氏硬度计、HRC 锤击布氏硬度计进行检测，以及以HB-3000 标准布氏硬度计检测结果为基准计算差值及相对误差，如表2.并以表2 数据作各硬度计检测波动图如图3，相对HB-3000 标准布氏硬度计误差如图4.

表2 及图3、图4 说明，PHB 锤击硬度计同HB-3000 值相比，在低硬度值范围误差相对高一些，在中高硬度范围误差相对较小，同以上标块示值检测结果一致；对于HRC 锤击硬度计在中等范围硬度区误差较小，低及高硬度范围误差相对较高，如果均以HB-3000 标准布氏硬度值HBW 作为基准，按照JJF1595-2016 携带式布氏硬度计校准规范判定，两种锤击硬度计相对误差均小于允许误差±8%；PHB 垂击硬度计同HB-3000 的相对误差小于±5%，同说明书一致，并且远小于HRC 锤击硬度计同HB-3000 的误差，从而说明了PHB 锤击硬度计优于HRC 锤击硬度计。

表2 铸钢材料布氏硬度计（HBW）、PHB 锤击布氏硬度计、HRC 锤击硬度计实际检测值及相对误差

图3 铸钢各硬度计检测波动图

图4 铸钢PHB、HBC 硬度计检测相对HBW 误差波动图

3.2 铸铁材料检测结果分析

图5 铸铁各硬度计检测波动图

表3 铸铁材料HB-3000、PHB、HRC 硬度计实际检测值及相对HBW 误差

图6 铸铁PHB、HBC 硬度计检测相对HBW 误差波动图

对于铸铁只检测了150-200 以内的球铁和灰铁，测试结果如表3、图5 及图6.结果表明PHB 锤击硬度计、HRC 锤击硬度计如果均以HB-3000 标准布氏硬度值作为基准，按照JJF1595-2016 携带式布氏硬度计校准规范判定，两种锤击硬度计相对误差均小于此规范允许误差±8%；PHB 垂击硬度计同HB-3000 标准布氏硬度计HBW 的相对误差大多小于±1.5%，并且小于HRC 锤击硬度计同HBW 值的相对误差，仍说明了PHB 锤击硬度计优于HRC 锺击硬度计。

表3 铸铁检测结果与表2 铸钢检测结果相比，检测铸铁PHB 的检测误差与检测铸钢差别不大，检测铸铁使用老式HRC 锤击硬度计的检测误差比检测铸钢的相对小，可能是铸铁吸震性好。

4 实际检测存在的问题

4.1 检测结果有效性分析

上述是针对上下面平行的试块进行检测，但实际铸件检测面不一定全部为上下面平行的件，有的检测面倾斜，有的检测面侧立，如检测方向同检测面有等形式，当冲击方向垂直（↓）检测面时PHB 硬度计的剪切销容易被击断，检测有效，此种情况因为用的力较大，控制不好有时也容易击到手，但检测方向同检测面是其他形式时倾斜角越大剪切销越不容易被击断，检测无效。

4.2 PHB 锤击布氏硬度计检测结果误差分析

由于属于动载检测，尽管所受力F/D2值等于30，同布氏硬度原理一样，但属瞬时受力，没有一定的保持时间，会对结果有影响，另外对压痕的测量是采用20 倍读数显微镜，来自显微镜的示值误差及测量误差均影响最终结果，另外受剪切销的质量影响也会造成误差。

PHB 锤击布氏硬度计同老式HRC 锤击布氏硬度计相比，误差仍明显减小，主要原因老式锤击硬度计是利用作用力和反作用力相等原理，击打在标块条上的压痕同击打在试件上的压痕大小相比较计算硬度值，如果标块硬度值是HB1，标块上压痕直径是d1，试件上硬度HB 计算如公式（1）：

误差来源较大，试件和标块压痕测量，标块上标定值准确性等，误差累积较多，作用力的方向不好控制为垂直方向，力不能准确控制在F/D2等于30.另外查表，表中试件上直径与标块上直径均是一位小数，而实际测量均是2 位小数，这样取舍计算均不是非常准确，造成的误差也会较大。

图5、图6 还表明，PHB 锤击布氏硬度计同HRC 老式锤击布氏硬度计相比，误差波动范围相对减小，是因为PHB 锤击布氏硬度计有冲击头套筒，冲击方向相对固定性好，在原理上又保证F/D2值等于30，所以相对准确性要高。

4.3 材料不同对硬度值误差的影响分析

图3、图4 表明PHB 锤击布氏硬度计在低硬度范围偏低，误差较大，中高硬度范围误差相对较小；而HRC 老式锤击布氏硬度计在中等硬度范围误差相对较小，低、高硬度范围误差相对较大。无论是PHB 锤击布氏硬度计还是HRC 老式锤击硬度计测115HBW 的标准布氏标块硬度值均偏低，原因之一是按照GB/T231.1-2018《金属材料布氏硬度试验》及JJG150 金属布氏硬度计检定规程、JJG747 金属布氏标块检定规程，低于140 HB 的硬度及低于125 HB 的标块均要求采用10D2的力，而PHB 是采用30 D2的力，HRC 所用力无法量化，这也是检测误差大的原因之一。

图7 为著名的梅涅尔定律曲线，是采用直径10mm 的压头，三种不同材料随布氏硬度计力变化的曲线，可看出在低负荷作用力下，不同材料压痕直径变化不大，硬度值变化不大，随力增加不同材料压痕直径差别增大，硬度值差别就增大，根据这一原理检测的材料如果同PHB 或HRC 锤击硬度计换算表中研究的材料差别较大，硬度值同真值就会有偏差，此图也可说明相同材料受力不同，压痕直径不同，硬度不同。

图7 压痕直径与试验力关系曲线

PHB 硬度计原理上是动载试验，保证瞬时力为1 580 kg 时剪切销断裂，没有停留时间，尽管保证了F/D2值等于30，但同一材料特别是低硬度的材料，基体较软，检测时又不可能完全保证冲击方向垂直检测面，压入角会有偏差、冲击速度也会影响力的作用时间，均会造成压入的深度不一样，压痕直径不一样，如果材料软压入深，直径大，硬度会偏低，布氏硬度一般规定压痕直径在0.24D～0.6D 之间才有效，如图8 是三种硬度不同的材料均采用10 mm直径的压头，不同作用力下压入角不同压痕直径不同，硬度会出现差异，即使压痕直径在0.24D～0.6D之间硬度也会有偏差，同时图8 也说明了不同硬度范围的材料要选择不同的实验力，高硬度范围要用图8 中的①②力加载硬度偏差就大，低硬度范围用图8 中③的力加载硬度偏差就大。

图8 布氏硬度值与压入角关系

锤击硬度计力的大小及保持时间不好控制，特别是老式HRC 锤击硬度计，这样误差就会较大。

5 结论

PHB 锤击硬度计以及老式HRC 锤击硬度计，按照JJF1595-2016 携带式布氏硬度计校准规范对（175～225）HBW 值范围的标块进行校准，检测误差均符合校准规范允许误差±8%要求，对于太低的标块如表1 标定值为115 的标块检测误差较大，相对误差≥13%，均不符合JJF1595 要求。

实际产品检测，PHB 锤击硬度计同HB-3000的相对误差小于±5%，同说明书一致，并且远小于HRC 锤击硬度计同HB-3000 的误差，从而说明了PHB 锤击硬度计优于HRC 老式锤击硬度计。

PHB 锤击布氏硬度计误差小的主要原因是设备有冲击头套筒，冲击方向相对固定，在原理上又保证F/D2值等于30，误差来源相对于HRC 锤击硬度计较少。

低于140 HB 的硬度及低于125 HB 的标块均要求采用10D2的力，而PHB 是采用30D2的力，HRC 所用力无法量化，这也是检测误差大的原因。