金属布氏硬度检测原理及应用选型

金属布氏硬度测试方法原理

在布氏硬度测试中，随着力的增加，会在大约10秒内将硬质金属球（硬质合金球）压入要测试的材料表面。保持施加的测试力15到20秒，以便在这段时间内材料可以沉降，并且测量结果可再现且可比较。然后在光学显微镜下确定材料表面上留下的压痕。测试力F与压痕表面A（球面）的比值用于衡量布氏硬度值HBW：

HBW =0.102⋅F/A

图：布氏硬度测试程序

通过布氏硬度测试，将硬质合金球压入材料中。留下的压痕表面可用来衡量压痕阻力！

公式中的系数0.102是由于单位“千帕”或“千克力”（1 Kgf≙9.807 N）所使用的，但过去已不再使用。因此，用相应的转换系数0.102（= 1 / 9.807）物理上正确的单位“牛顿”代替了千克力。
压痕面A可以通过压入测试球的直径D和留在下面的压痕直径d来确定，使用以下公式：
A =π2⋅D⋅[D-(D²-d²)1/2]
通过将方程式（2）和方程式（1）结合，可计算出无单位布氏硬度HBW，取决于施加的试验穿透力F（以N为单位），球直径D（以mm为单位）和压痕直径d（以mm为单位）如下：
布氏硬度 HBW =0.204⋅F/{π⋅D⋅[D-(D²-d²)1/2]}
由于变形行为的各向异性，可能会发生在材料表面上没有完全圆形的烙印的情况。然后根据彼此成直角的两个压痕直径d1和d2的平均值确定压痕直径d：
d = (d1 + d2)/2

图：观察距离规范

布氏硬度测试的有效性及应用选型

为防止材料在测试过程中被推到试样的边缘上并因此测得偏低的硬度值，压痕的中心至少应距边缘至少2.5倍于压痕直径。
a≥2.5⋅d
如果在一个样品上进行了几次硬度测试，则必须注意确保压痕不会落在彼此之间的规定距离以下。否则，测量结果将受到相应压痕周围出现的硬化现象的影响。该距离不应小于压痕直径的3倍。
Δa≥3⋅d
为了获得可比的结果，压痕直径d应不小于压头直径D的24％并且不大于60％：
0.24⋅D≤d≤0.6⋅D
如果压痕直径太大并且在测试球直径的范围内，则测试球会被太深地压入材料中。然后，进一步的渗透几乎不会产生较大的压痕直径，由于直径确定中的测量误差，导致压痕直径不再可再现。
另一方面，如果压痕直径与所用的测试球直径相比过小，则很难将球压入材料中。结果是边缘模糊，很难确定留下的压痕直径。由于低的变形，弹性部分特别高，使得当提起球时压痕直径相对较大地减小。从小压痕直径获得的硬度值以及从大直径值获得的硬度值不再有效。

动画：测试负载过高和过低

试验力负载系数

由于上述过大或过小的原因，因此球和材料样品之间的表面压力不能太高或太低。仅当在相同的应力强度下进行测试时，才能给出不同材料的可比较结果。由于较大的表面积，与较小的测试球相比，较大的测试球也需要较高的测试力，在较小的测试球中，力分布在较小的表面上。
为了对这一事实做出公正的定义，定义了所谓的负载系数B。负载系数由测试负载与测试球表面的比率定义，可以视为一种“表面压力”：
负载系数 B =0.102⋅F/D²

图：负载系数图

为了使在不同材料上使用不同测试球获得的硬度值具有可比性，负载系数B在所有情况下都必须具有相同的值！
系数0.102再次由过时的单位“千吨”得出。与较软的材料相比，硬质材料必须在较高的负载下进行测试，并因此在较高的负载系数下进行测试，以便根据公式（7）保持直径范围。
载荷系数被标准化为1 – 2.5 – 5 – 10 – 15 – 30的值。根据期望的硬度，可以在表格中找到所使用的载荷系数的参考值。然后试验力F可以根据上述等式来确定要设定的极限承载力（N），具体取决于无量纲的负载系数B和选定的球直径D（以mm为单位）。

布氏测试球

标准直径10毫米，5毫米，2.5毫米，2毫米或1毫米的烧结硬质合金球可用作布氏硬度测试用的测试球。小直径对于较薄的板材是必需的，因为太大的球只会使片材相反侧的材料凸出。原则上，样品厚度s至少应为穿透深度h的8倍：

样品极限厚度 s≥8⋅h

动画：布氏测试过程中钣金的凸起

大的测试球也不适合确定薄表面层的硬度。在这种情况下，存在将表面层仅压入下面的基础材料的风险。

图：薄表面层的测试

测试粗晶粒，异质微结构（例如铸铁）时，必须使用较大的球直径。由于球体较大，变形中会涉及到尽可能多的单个（异质）结构部件，从而导致硬度值覆盖整个微观结构，而不仅仅是单个相。这种异质微观结构的测试是布氏硬度测试的一大优势。但是原则上，它仅适用于软至中硬材料。

图：异质材料测试

布氏硬度测试特别适用于中低硬度范围内的较厚的异质材料！薄板无法使用布氏硬度测试进行测试！
布氏硬度测试不适用于非常硬的材料或硬化的表面层，因为球无法充分渗透到材料中。此时不能解决更高的测试负载，因为这会导致硬质合金球变形。球的扁平化会导致较大的压痕直径，从而测出材料的硬度较软。

动画：测试球变平

由于前述材料在片材的相对侧上的凸起，即使非常薄的片材也无法测试。为了弥合这一差距，Vickers开发了一种新的硬度测试方法，即维氏硬度检测技术。

硬度值指示

布氏硬度的符合标准的规范包括硬度值（HBW），球直径（以毫米为单位），测试力（以千克为单位）和施加时间（以秒为单位）。这些值无单位给出，并用斜杠分隔。如果以10到15秒的标准应用时间进行测试，则可以省略时间指示。

图：布氏硬度值符合标准的规格

非合金钢的拉伸强度与硬度之间的经验关系

对于非合金钢和低合金钢，布氏硬度HBW与抗拉强度σ_u之间存在经验关系。这种关系意味着抗拉强度（N /mm²）大约相当于布氏硬度值的3.5倍：
Rm≈3.5⋅HBW

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