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金屬布氏硬度檢測(cè)原理及應(yīng)用選型

金屬布氏硬度測(cè)試方法原理

在布氏硬度測(cè)試中，隨著力的增加，會(huì)在大約10秒內(nèi)將硬質(zhì)金屬球（硬質(zhì)合金球）壓入要測(cè)試的材料表面。保持施加的測(cè)試力15到20秒，以便在這段時(shí)間內(nèi)材料可以沉降，并且測(cè)量結(jié)果可再現(xiàn)且可比較。然后在光學(xué)顯微鏡下確定材料表面上留下的壓痕。測(cè)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(cè)試程序

通過布氏硬度測(cè)試，將硬質(zhì)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(shù)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(yīng)的轉(zhuǎn)換系數(shù)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(cè)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(jié)合，可計(jì)算出無單位布氏硬度HBW，取決于施加的試驗(yàn)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(huì)發(fā)生在材料表面上沒有完全圓形的烙印的情況。然后根據(jù)彼此成直角的兩個(gè)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(cè)試的有效性及應(yīng)用選型

為防止材料在測(cè)試過程中被推到試樣的邊緣上并因此測(cè)得偏低的硬度值，壓痕的中心至少應(yīng)距邊緣至少2.5倍于壓痕直徑。
a≥2.5?d
如果在一個(gè)樣品上進(jìn)行了幾次硬度測(cè)試，則必須注意確保壓痕不會(huì)落在彼此之間的規(guī)定距離以下。否則，測(cè)量結(jié)果將受到相應(yīng)壓痕周圍出現(xiàn)的硬化現(xiàn)象的影響。該距離不應(yīng)小于壓痕直徑的3倍。
Δa≥3?d
為了獲得可比的結(jié)果，壓痕直徑d應(yīng)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(cè)試球直徑的范圍內(nèi)，則測(cè)試球會(huì)被太深地壓入材料中。然后，進(jìn)一步的滲透幾乎不會(huì)產(chǎn)生較大的壓痕直徑，由于直徑確定中的測(cè)量誤差，導(dǎo)致壓痕直徑不再可再現(xiàn)。
另一方面，如果壓痕直徑與所用的測(cè)試球直徑相比過小，則很難將球壓入材料中。結(jié)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(dāng)提起球時(shí)壓痕直徑相對(duì)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(yàn)力負(fù)載系數(shù)

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(dāng)在相同的應(yīng)力強(qiáng)度下進(jìn)行測(cè)試時(shí)，才能給出不同材料的可比較結(jié)果。由于較大的表面積，與較小的測(cè)試球相比，較大的測(cè)試球也需要較高的測(cè)試力，在較小的測(cè)試球中，力分布在較小的表面上。
為了對(duì)這一事實(shí)做出公正的定義，定義了所謂的負(fù)載系數(shù)B。負(fù)載系數(shù)由測(cè)試負(fù)載與測(cè)試球表面的比率定義，可以視為一種“表面壓力”：
負(fù)載系數(shù) B =0.102?F/D²
為了使在不同材料上使用不同測(cè)試球獲得的硬度值具有可比性，負(fù)載系數(shù)B在所有情況下都必須具有相同的值！
系數(shù)0.102再次由過時(shí)的單位“千噸”得出。與較軟的材料相比，硬質(zhì)材料必須在較高的負(fù)載下進(jìn)行測(cè)試，并因此在較高的負(fù)載系數(shù)下進(jìn)行測(cè)試，以便根據(jù)公式（7）保持直徑范圍。
載荷系數(shù)被標(biāo)準(zhǔn)化為1 – 2.5 – 5 – 10 – 15 – 30的值。根據(jù)期望的硬度，可以在表格中找到所使用的載荷系數(shù)的參考值。然后試驗(yàn)力F可以根據(jù)上述等式來確定要設(shè)定的極限承載力（N），具體取決于無量綱的負(fù)載系數(shù)B和選定的球直徑D（以mm為單位）。

布氏測(cè)試球

標(biāo)準(zhǔn)直徑10毫米，5毫米，2.5毫米，2毫米或1毫米的燒結(jié)硬質(zhì)合金球可用作布氏硬度測(cè)試用的測(cè)試球。小直徑對(duì)于較薄的板材是必需的，因?yàn)樘蟮那蛑粫?huì)使片材相反側(cè)的材料凸出。原則上，樣品厚度s至少應(yīng)為穿透深度h的8倍：

樣品極限厚度 s≥8?h
大的測(cè)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(chǔ)材料的風(fēng)險(xiǎn)。
測(cè)試粗晶粒，異質(zhì)微結(jié)構(gòu)（例如鑄鐵）時(shí)，必須使用較大的球直徑。由于球體較大，變形中會(huì)涉及到盡可能多的單個(gè)（異質(zhì)）結(jié)構(gòu)部件，從而導(dǎo)致硬度值覆蓋整個(gè)微觀結(jié)構(gòu)，而不僅僅是單個(gè)相。這種異質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的測(cè)試是布氏硬度測(cè)試的一大優(yōu)勢(shì)。但是原則上，它僅適用于軟至中硬材料。
布氏硬度測(cè)試特別適用于中低硬度范圍內(nèi)的較厚的異質(zhì)材料！薄板無法使用布氏硬度測(cè)試進(jìn)行測(cè)試！
布氏硬度測(cè)試不適用于非常硬的材料或硬化的表面層，因?yàn)榍驘o法充分滲透到材料中。此時(shí)不能解決更高的測(cè)試負(fù)載，因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致硬質(zhì)合金球變形。球的扁平化會(huì)導(dǎo)致較大的壓痕直徑，從而測(cè)出材料的硬度較軟。
由于前述材料在片材的相對(duì)側(cè)上的凸起，即使非常薄的片材也無法測(cè)試。為了彌合這一差距，Vickers開發(fā)了一種新的硬度測(cè)試方法，即維氏硬度檢測(cè)技術(shù)。

硬度值指示

布氏硬度的符合標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范包括硬度值（HBW），球直徑（以毫米為單位），測(cè)試力（以千克為單位）和施加時(shí)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(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，則可以省略時(shí)間指示。

非合金鋼的拉伸強(qiáng)度與硬度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系

對(duì)于非合金鋼和低合金鋼，布氏硬度HBW與抗拉強(qiáng)度σ_u之間存在經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。這種關(guān)系意味著抗拉強(qiáng)度（N /mm2）大約相當(dāng)于布氏硬度值的3.5倍：
Rm≈3.5?HBW

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