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布氏试验法的相关信息(布氏硬度HBW的测定)

布氏硬度试验的基本信息

布氏试验方法中使用的压头由直径D = 10、5、2.5或1 mm的硬金属球制成。通过施加试验力(按照试验标准,从1 kg到3000 kg)将该压头压在试样上,并根据保持时间加以保持。

要计算布氏硬度,需在试样表面测量测试压痕的两个垂直直径。 另外,还要知晓试验力N和球形压头的直径。

符合ISO 6506标准的布氏硬度试验程序

在光学法布氏硬度试验中,测量压头留下的压痕尺寸。 与光学维氏法(将棱锥形压头压入试样)不同,布氏法使用球形压头。

在规定的试验力下,特定球直径的布氏压头在工件(试样)表面留下的压痕越大,被测材料越软。

根据ISO 6506标准,使用规定的试验载荷(介于1 kgf和3000 kgf之间)将由硬质金属(碳化钨)制成的球形压头压入试样(工件),以测定布氏硬度(HBW)。

布氏硬度表示什么?

布氏硬度是表示材料硬度的测量单位。 布氏硬度使用布氏硬度法测量,为此将硬金属球压入材料中。 采用光学方法测量产生的压痕大小,以测定材料的硬度。

布氏硬度通常用于晶粒尺寸大、试验表面粗糙的材料或不均匀的材料,如铸件、合金和锻件。它被定义为施加的力与压痕表面积之比。布氏硬度的单位是HBW(硬度使用碳化钨球根据布氏法测量)。

布氏硬度计算

布氏硬度HBW可由施加的试验力F(单位为牛顿N)与移除试验力后试样上残留压痕的表面积的商得出(见布氏公式)。 要计算残余球压痕的表面积,我们使用的是两条垂直对角线d1和d2的算术平均值d(单位:mm),因为布氏压痕的底面积通常不完全是圆形。

实际上,测定硬度值时,并非每次试验都计算该公式。 硬度值也可以从表中确定,该表是一个专门编程的硬度测试软件,其将硬度值显示为所有标准化的球直径和试验载荷的平均压痕直径d的函数。

用户可以选择试验力,使平均压痕直径d介于0.24 D和0.6 D之间。

为了能够符合这些限制,试验力需要与球直径相符。 这将在布氏法中产生不同的力-直径指数(也称为载荷级别或载荷系数),其中试验力与球直径平方的商保持恒定: B = 0.102*F/D2。 五个常见的力-直径指数为1、2.5、5、10和30。 必须在相同的力-直径指数范围内对具有不同球直径和试验力的材料进行测试,以获得可比较的试验结果(请参见“布氏法和应用”总览表)。

球直径的选择必须确保压痕尽可能覆盖工件区域 – 代表试样。

根据标准(ISO 6506),试验载荷应在最少两秒至最多八秒内增加到其最终值。 通常,试验载荷的停留时间为10至15秒。 如果停留时间更长,则还必须在硬度值中指定持续时间(以秒为单位),例如: 210 HBW 5/250/30(停留时间为30 s)。

使用布氏法进行硬度试验的优缺点

布氏法有以下优点:

  • 布氏法可用于测试非均质材料(如铸件),因为大球与许多晶体(材料的不同金相成分)接触,从而形成力学平均值。
  • 可以在大量试验力和球直径之间进行选择,应用最为广泛。
  • 相对较大的试验压痕比较小的维氏压痕更容易测量。
  • 试样表面可以粗糙。

布氏法有以下缺点:

  • 试样的表面质量必须良好,因为压痕是以光学方式测量的。 这意味着试验位置必须准备好。
  • 当在高试验载荷(例如HBW 10/3000)的宏观范围内进行试验时,被测材料变形的风险很高,并且随之出现的壁形成导致测量误差的风险也很高。 因此,良好的照明对于确保正确评估试验压痕(例如借助环形灯)非常重要。
  • 在材质非常硬的薄试样上应用该方法存在限制(请参见布氏法,最小试样厚度)。
  • 该过程相当缓慢(与洛氏法相比)。 试验周期大约需要30到60秒,不包括制备试样的时间。

布氏硬度试验方法示例及应用

布氏法既适用于软金属(轻金属、铅、锡)的硬度试验,也适用于钢、铁等硬质金属。

使用不同的球直径和试验力对材料进行布氏试验时,必须采用相同的力-直径指数(“布氏试验程序”),才能直接比较测量所得的硬度值。

下面的总览表显示按力-直径指数、相关硬度范围和推荐应用(材料)分组的布氏法。 载荷系数越高,可以或应该用该力-直径指数内的方法测试的金属就越硬。 最常见的力-直径指数(载荷系数)为HBW 30。 属于HBW 30的布氏法用于测试钢和铁等硬质金属。

材料方法压头试验载荷 F载荷角度
0.102 x F/D2
硬度范围HBW*
钢/铁HBW 1/301 mm294.2N3095.5-653
HBW 2.5/187.52.5 mm1.839kN
HBW 5/7505 mm7.355kN
HBW 10/300010 mm29.42kN
轻金属
铜/铝
铜合金
铝合金
HBW 1/101 mm98.07N1031.8-218
HBW 2.5/62.52.5 mm612.9N
HBW 5/2505 mm2.452kN
HBW 10/100010 mm9.807kN
轻金属
铜/铝
铜合金,不进行
热处理
HBW 1/51 mm49.03N515.9-109
HBW 2.5/31.252.5 mm306.5N
HBW 5/1255 mm1.226kN
HBW 10/50010 mm4.903kN
轻金属HBW 1/2.51 mm24.52N2.57.96-54.5
HBW 2.5/15.6252.5 mm153.2N
HBW 5/62.55 mm612.9N
HBW 10/25010 mm2.452kN
轻金属
铅/锡
HBW 1/11 mm9.807N13.18-21.8
HBW 2.5/6.252.5 mm61.29N
HBW 5/255 mm245.2N
HBW 10/10010 mm980.7N

*推荐的硬度范围依据EN ISO 6506-4,表2

试样压痕的最小距离和布氏试验的最小试样厚度

  • 在布氏法中,压痕的位置必须确保压痕与试样边缘以及各个压痕之间有足够的间隙。 根据标准必须遵守的最小值请参见图。
  • 试样必须足够厚,这样压痕才不会在试样下方(支撑面)造成任何可见变形。 这意味着,根据标准,试样的厚度必须至少是布氏试验球压痕深度的八倍。 压痕深度可以根据预期硬度值来估计,而预期硬度值又取决于平均压痕直径。 因此,最小试样厚度可以作为平均压痕直径和布氏压头球直径的函数得出。 可在此处找到一个详细的表格,从中可以相应读取布氏法的最小试样厚度:

 

平均
压痕直径
(mm)
最小试样厚度(mm)
球直径(mm)
1.02.55.010
0.20.12
0.30.18
0.40.33
0.50.54
0.60.800.29
0.70.40
0.80.53
0.90.67
1.00.83
1.11.02
1.21.230.58
1.31.460.69
1.41.720.80
1.52.000.92
1.61.05
1.71.19
1.81.34
1.91.50
2.01.67
2.22.04
2.42.451.17
2.62.921.38
2.83.431.60
3.04.001.84
3.22.10
3.42.38
3.62.68
3.83.00
4.03.34
4.23.70
4.44.08
4.64.48
4.84.91
5.05.36
5.25.83
5.46.33
5.66.86
5.87.42
6.08.00

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