布氏硬度測試：原理、應用與限制

布氏硬度測試透過形成受控壓痕來測定材料硬度，常用於大型或粗晶材料。

此方法由 Johan August Brinell 於 1900 年開發，至今仍廣泛用於大量材料特性評估。

布氏硬度測試：原理與方法（HB）

此方法使用球形壓頭材質為碳化鎢或淬硬鋼（直徑 1–10 mm），以指定負荷（62.5–3000 kgf）壓入材料。保持負荷 10–30 秒後，以顯微鏡測量壓痕直徑。布氏硬度值（HBW）依下列公式計算：

其中：

• F: 施加力量（N）
• D: 壓頭直徑（mm）
• d: 壓痕直徑（mm）

注意：使用 kgf 時，公式不需乘以係數 0.102。

測量程序

1. 試樣準備：
   • 試樣表面必須平坦、光滑且乾淨（通常需要研磨／拋光）。
2. 施加負荷：
   • 預負荷用於設定參考位置。
   • 施加主負荷（例如鋼材為 3000 kgf）10–15 秒。
3. 測量壓痕：
   • 以顯微鏡沿兩個垂直方向測量壓痕直徑。
   • 使用平均值透過查表或軟體計算 HBW。

標準：ASTM E10 與 ISO 6506 規定F/D2，以確保結果一致。

ASTM E10 規定什麼？

ASTM E10是美國金屬材料布氏硬度測試標準，規定內容包括：

• 負荷範圍：62.5–3000 kgf。
• 壓頭類型：碳化鎢球（HBW）或淬硬鋼球（HBS，較少使用）。
• 保持時間：10–15 秒（鋁等彈性材料可延長至 30 秒）。
• 壓痕測量：壓痕直徑須為24–60%壓頭直徑的 24–60%，以確保準確度。
• 比值F/D2：30、10、5 或 1（例如，10 mm 壓頭施加 3000 kgf 時為F/D2 = 30）。

應用：常見於北美，用於汽車與造船業的鑄鐵、不鏽鋼及鋁合金。

ISO 規定什麼？

ISO 6506是相應的國際標準，分為三個部分：

• ISO 6506-1：主要測試程序與 ASTM E10 相似，但有若干差異：
  • 最大負荷：29420 N（約 3000 kgf）。
  • 表面要求：粗糙度Ra≤1.6μm（比 ASTM E10 嚴格）。
  • 壓頭直徑公差：±0.005 mm（比 ASTM E10 嚴格）。
• ISO 6506-2：硬度計校正。
• ISO 6506-3：硬度標準塊校正。

應用：在歐洲與亞洲廣泛採用，尤其用於油氣鋼管與醫療設備製造。

兩項標準比較：

何時選擇 ASTM E10 或 ISO 6506？

• 選擇 ASTM E10：與美國／加拿大夥伴合作，或應 FAA 要求用於航太產業時。
• 選擇 ISO 6506：出口至歐洲或依 IEC／IATF 標準製造時。
• 注意：兩項標準均要求每 6 個月使用認證標準塊校正設備。

應用

• 汽車：引擎缸體、曲軸、齒輪。
• 加工：鑄鐵、鍛鋼、工業閥門。
• 能源：管線材料與鑽探設備。
• 航太：起落架與承載結構。

適用於：從鋁、銅等軟金屬到中硬度鋼材。不適用於超硬材料因為壓頭可能變形。

優點與限制

現代改良

• 自動硬度計： Affri LD3000A整合馬達負荷、電子顯微鏡與 HBW 即時計算功能。
• 支援軟體：觸控介面與 PDF／CSV 匯出功能可支援品質管制。
• 遠端診斷：透過網路連線，工程師可遠端排除問題。

重要注意事項

• 試樣厚度：至少為壓痕深度的 8–10 倍（依 ISO／ASTM）。
• 球壓頭負荷比（F/D2）：維持一致，以便比較結果。
• 表面品質：表面粗糙時須拋光，以避免誤差。

下表可協助依不同布氏硬度應用選擇壓頭與測試力量。

精選布氏硬度計機型

AFFRI 硬度計－義大利

隨著科技進步，AFFRI 配備可放大壓痕的數位相機與硬度計算軟體，以提升測量準確度。

此自動硬度計可安裝於生產線，以布氏 HBWT 方法快速檢測，符合 ASTM、ISO 與 JIS。

此為高階布氏硬度計，符合布氏硬度測試相關標準。

布氏法可可靠評估大型材料，因此仍是重工業的重要選擇。自動化改良正克服傳統限制並擴大其應用範圍。