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金屬布氏硬度檢測原理及應用選型

金屬布氏硬度測試方法原理

在布氏硬度測試中，隨著力的增加，會在大約10秒內將硬質金屬球（硬質合金球）壓入要測試的材料表面。保持施加的測試力15到20秒，以便在這段時間內材料可以沉降，并且測量結果可再現且可比較。然后在光學顯微鏡下確定材料表面上留下的壓痕。測試力F與壓痕表面A（球面）的比值用于衡量布氏硬度值HBW：

HBW =0.102?F/A

圖：布氏硬度測試程序

通過布氏硬度測試，將硬質合金球壓入材料中。留下的壓痕表面可用來衡量壓痕阻力！

公式中的系數0.102是由于單位“千帕”或“千克力”（1 Kgf?9.807 N）所使用的，但過去已不再使用。因此，用相應的轉換系數0.102（= 1 / 9.807）物理上正確的單位“牛頓”代替了千克力。
壓痕面A可以通過壓入測試球的直徑D和留在下面的壓痕直徑d來確定，使用以下公式：
A =π2?D?[D-(D²-d²)1/2]
通過將方程式（2）和方程式（1）結合，可計算出無單位布氏硬度HBW，取決于施加的試驗穿透力F（以N為單位），球直徑D（以mm為單位）和壓痕直徑d（以mm為單位）如下：
布氏硬度 HBW =0.204?F/{π?D?[D-(D²-d²)1/2]}
由于變形行為的各向異性，可能會發生在材料表面上沒有完全圓形的烙印的情況。然后根據彼此成直角的兩個壓痕直徑d1和d2的平均值確定壓痕直徑d：
d = (d1 + d2)/2

布氏硬度測試的有效性及應用選型

為防止材料在測試過程中被推到試樣的邊緣上并因此測得偏低的硬度值，壓痕的中心至少應距邊緣至少2.5倍于壓痕直徑。
a≥2.5?d
如果在一個樣品上進行了幾次硬度測試，則必須注意確保壓痕不會落在彼此之間的規定距離以下。否則，測量結果將受到相應壓痕周圍出現的硬化現象的影響。該距離不應小于壓痕直徑的3倍。
Δa≥3?d
為了獲得可比的結果，壓痕直徑d應不小于壓頭直徑D的24％并且不大于60％：
0.24?D≤d≤0.6?D
如果壓痕直徑太大并且在測試球直徑的范圍內，則測試球會被太深地壓入材料中。然后，進一步的滲透幾乎不會產生較大的壓痕直徑，由于直徑確定中的測量誤差，導致壓痕直徑不再可再現。
另一方面，如果壓痕直徑與所用的測試球直徑相比過小，則很難將球壓入材料中。結果是邊緣模糊，很難確定留下的壓痕直徑。由于低的變形，彈性部分特別高，使得當提起球時壓痕直徑相對較大地減小。從小壓痕直徑獲得的硬度值以及從大直徑值獲得的硬度值不再有效。

試驗力負載系數

由于上述過大或過小的原因，因此球和材料樣品之間的表面壓力不能太高或太低。僅當在相同的應力強度下進行測試時，才能給出不同材料的可比較結果。由于較大的表面積，與較小的測試球相比，較大的測試球也需要較高的測試力，在較小的測試球中，力分布在較小的表面上。
為了對這一事實做出公正的定義，定義了所謂的負載系數B。負載系數由測試負載與測試球表面的比率定義，可以視為一種“表面壓力”：
負載系數 B =0.102?F/D²
為了使在不同材料上使用不同測試球獲得的硬度值具有可比性，負載系數B在所有情況下都必須具有相同的值！
系數0.102再次由過時的單位“千噸”得出。與較軟的材料相比，硬質材料必須在較高的負載下進行測試，并因此在較高的負載系數下進行測試，以便根據公式（7）保持直徑范圍。
載荷系數被標準化為1 – 2.5 – 5 – 10 – 15 – 30的值。根據期望的硬度，可以在表格中找到所使用的載荷系數的參考值。然后試驗力F可以根據上述等式來確定要設定的極限承載力（N），具體取決于無量綱的負載系數B和選定的球直徑D（以mm為單位）。

布氏測試球

標準直徑10毫米，5毫米，2.5毫米，2毫米或1毫米的燒結硬質合金球可用作布氏硬度測試用的測試球。小直徑對于較薄的板材是必需的，因為太大的球只會使片材相反側的材料凸出。原則上，樣品厚度s至少應為穿透深度h的8倍：

樣品極限厚度 s≥8?h
大的測試球也不適合確定薄表面層的硬度。在這種情況下，存在將表面層僅壓入下面的基礎材料的風險。
測試粗晶粒，異質微結構（例如鑄鐵）時，必須使用較大的球直徑。由于球體較大，變形中會涉及到盡可能多的單個（異質）結構部件，從而導致硬度值覆蓋整個微觀結構，而不僅僅是單個相。這種異質微觀結構的測試是布氏硬度測試的一大優勢。但是原則上，它僅適用于軟至中硬材料。
布氏硬度測試特別適用于中低硬度范圍內的較厚的異質材料！薄板無法使用布氏硬度測試進行測試！
布氏硬度測試不適用于非常硬的材料或硬化的表面層，因為球無法充分滲透到材料中。此時不能解決更高的測試負載，因為這會導致硬質合金球變形。球的扁平化會導致較大的壓痕直徑，從而測出材料的硬度較軟。
由于前述材料在片材的相對側上的凸起，即使非常薄的片材也無法測試。為了彌合這一差距，Vickers開發了一種新的硬度測試方法，即維氏硬度檢測技術。

硬度值指示

布氏硬度的符合標準的規范包括硬度值（HBW），球直徑（以毫米為單位），測試力（以千克為單位）和施加時間（以秒為單位）。這些值無單位給出，并用斜杠分隔。如果以10到15秒的標準應用時間進行測試，則可以省略時間指示。

非合金鋼的拉伸強度與硬度之間的經驗關系

對于非合金鋼和低合金鋼，布氏硬度HBW與抗拉強度σ_u之間存在經驗關系。這種關系意味著抗拉強度（N /mm2）大約相當于布氏硬度值的3.5倍：
Rm≈3.5?HBW

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