硬度测试与试样制备

应用说明 硬度测试与试样制备 硬度测试是评估材料性能、并在生产 过程及研发工作中进行质量控制的重 要工具。硬度测试能够显示材料的诸 多性质，例如强度、韧性和耐磨性。 本应用说明将关注压痕硬度，其定义 为：测量某种材料对塑性变形的抗 力，也即用硬质的压头压入较软的材 料。测试结果将会与测试过程有关， 也就是说与载荷及其加载时间、压 头类型（几何形状/材质）以及所应 用的测量方法有关。测试方法由材料 类型、部件尺寸和状态决定。因此， 在显示结果的时候总需同时标注出所 用的方法。硬度测试有不同的测试标 准，只要正确遵守，操作人员可以确 保得到可靠的测试结果。需要在报告 中注明与 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 值的偏差，例如测试持 续时间。在测试过程中，务必保持 所有可能影响测试的因素在控制范 围内，这样才能得到精确且可再现 的结果。 DuraPro200——将通用型硬度试验机集成到生产 线中 在测试金属材料硬度 时，我们常用压痕测试 方法。这类测试中最常 用的是洛氏、维氏、布 氏和努氏方法。洛氏方 法通过测量压痕深度来 确定硬度；而维氏、布 氏以及努氏方法都是通 过光学测量所打压痕的 尺寸来确定硬度。各种测试方法均有 其不同的标准，在标准中均对测试过 程和 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 进行了详细解释。 硬度测试可以为材料加工或者热处理 之后的总体质量控制提供信息。可用 硬度测试中的端淬测试来测试钢的淬 透性；也可通过硬度测试来测试表面 硬化钢的硬化层深度并控制焊接件性 能。同样地，屈服应力和极限抗拉强 度都与硬度值有关，故硬度测试可 以提供对材料机械特性的有效估计 [1、2]。另一个应用领域是测试陶 瓷/合成陶瓷/硬质合金的断裂韧性 （KIC，应力强度因子），KIC可以 用维氏方法配合Palmqvist公式计算 得到[3]。 其它硬度测试类型包括： - 金属动态测试即肖氏硬度（回跳硬 度）测试方法，在该法中通过测量 冲头回跳的高度以确定材料硬度。 - 针对矿物，一般采取划痕硬度测试 法，就是用较硬的矿石去刻画较软 的矿石。 - 在纳米压痕测试法（IIT，微压入 法）中，硬度和弹性模量均可以得 到精确确定。在加载和卸载时，机 器会记录加载－卸载曲线用来确定 模量。 1.前言 - 还有很多测试塑料硬度的方法，例 如肖氏（Durometer）、洛氏、球 压痕硬度和巴氏硬度。 本应用说明着重于论述金属硬度测 试、试样的机械制备和影响压痕硬度 测试结果的各种因素。 b) a) MAXSO MAXCY a) b) a) b) b) a) 2 3 2.制备难点 问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 1： 在制备工作中获取平整平行表面会较 为困难，见图1。例如对于维氏测试 方法（见第5页第3部分描述），测得 的各个对角线数值偏差不能超过5%， 同时压头应该与测试表面垂直，偏离 角度不能超过2o，这样才能获得可靠 的结果。 图1：示意图： a）表面不平整的试样；b）表面平整平行的试样。 图2：硬度测试中用于夹固试样的夹具： a）1 x 40 mm 直径；b）6 x 30 mm 直径。 解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 1： 最好的方法就是用夹具固定好试样， 这样压头即可垂直压入试样表面，见 图2。 如果在机械制备中没有夹具而又想得 到一个平整平行的表面，请参见图 1b。可以使用试样夹具座MAXSO， 它的一头是平整的表面，见图3； 在该装置中使用双面胶带固定试样 以使其尽可能的平整和平行。使用 MAXSO时，将试样切割成基本一 致的高度十分重要。当使用图3的 MAXCY时，最终试样表面的平整平 行度很大程度上依赖于操作人员怎样 使用试样夹具座固定试样。 问题2： 如果试样表面过于粗糙，辨识压痕拐 角将变得十分困难，这个问题在应用 自动硬度试验机时尤其突出。需要光 洁的具有反光性的表面。当然，表面 制备对于待测材料性能的影响也应降 到最低。所需进行的表面制备取决于 测试类型和加载载荷。显微硬度 (载 荷小于1 kgf)要求更加光洁的表面。 洛氏方法对压痕深度更为敏感，而对 表面的制备要求却不是很高，由于这 种方法无需对压痕的几何形状进行光 学测量，故无需表面制备步骤或者研 磨后表面即可满足要求。 如果试样表面过于粗糙，使用自动硬 度试验机时，制备造成的划痕就可能 会影响对压痕尺寸的读取。注意：更 柔软的材料更易产生制备假象，因为 相对于硬质材料，同样数量的磨料会 图4：在粗糙度相同表面上的维氏压痕（经9 μm 制备）：a）硬化钢715 HV 10；b）0.5%碳钢180 HV 10。这里，碳钢中有17%的压痕未予考虑，这 主要考虑到表面粗糙的因素。而在硬化钢中不会发 生此类问题。 图3： 试样夹具座 引起更大的变形/划痕，见图4。 解决方案2： 应使用经过抛光的表面。图5显示了 经过MD-Plus抛光布和金刚石悬浮 液DiaPro Plus（3 μm）终抛后的 表面。 图 5：在光滑表 面（MD-Plus/ DiaProPlus，3 μm）上的维氏 压痕； a）硬化工具钢 715 HV 10； b）0.5%碳钢 180 HV 10。 a) b) 2 3 问题3： 如果在机械制备之后试样没有得到正 确的清洁即进行光学数据读取，硬度 试验机的自动读取功能可能会导致对 压痕拐角的误读，见图6。 解决方案3： 务必保证试样经过正确的清洁，否 则灰尘或者抛光布的纤维会影响数 据读取。 问题4： 对于重度腐蚀的试样，硬度试验机会 很难识别压痕拐角，这可能会导致硬 度值不准确。 解决方案4： 要尽可能避免进行腐蚀，因为这样会 导致表面的反光性较低。如果必须进 行腐蚀处理，最好采用轻度腐蚀以便 压痕拐角易于识别。有时候确实需要 进行腐蚀处理，例如在测试焊接件硬 度时，见图20。 图6：污物会干扰自动光学读取。材料为硬化工具钢。 维氏方法。载荷为0.5 kgf1。 表面最后的制备步骤为MD-Largo配合金刚石悬浮液 DiaPro Allegro/Largo（9 μm）制备。 图 7：维氏压痕，载荷为1 kgf。材料为0.5%碳钢。 表面最后的制备步骤为MD-Plus配合金刚石悬浮液 DiaPro Plus（3 μm）。 用3%硝酸酒精溶液进行腐蚀：a）重度腐蚀；b） 轻度腐蚀。 测试方法 表面制备 洛氏HR 宏观硬度测试： - 无需表面制备，或者 - 研磨后表面 布氏HBW 宏观硬度测试： - 铣磨过， - 研磨后表面，或者 - 抛光后表面 维氏HV 宏观硬度测试： - 研磨后表面 显微硬度测试： - 抛光后表面 - 电解抛光后表面 努氏HK 显微硬度测试： - 深度抛光后表面 3.原理描述 对于硬度压痕测试来说，压痕尺寸均 经过光学元件进行识别。维氏、布氏 和努氏硬度测试方法的原理是用加载 载荷除以接触面积（努氏方法是除以 投影面积）。硬度测试可以手动进 行，此时要用表格，表中已经将测 得的对角线/直径的均值换算成了硬 度值；还可以通过公式计算得出硬度 值。在自动硬度测试机中，硬度值会 自动得出。 根据加载载荷的范围不同，可以将 压痕硬度测试分为宏观（也称为通 用）硬度测试和显微硬度测试。宏 观硬度测试中所加载载荷至少应为1 kgf（9.81 N），而显微硬度测试中载 荷的变化范围可为1 gf至1 kgf。 对表面状态的要求取决于测试类型和 应用的载荷。对于宏观硬度测试来 说，铣磨过的表面或者研磨后表面即 可，有时候甚至无需进行任何试样制 备。但对于显微硬度测试来说，需要 经过抛光的表面。对于极小的载荷， 1在本应用说明中，测试力的单位是kgf（千克力）， 该单位是在SI系统前即引入的（1 kgf=9.81 N）。 表1：不同硬度压痕测试方法对表面的要求。 DuraJet 污物 E e d1 d2 4 5 甚至可能需要经过氧化抛光或者电解 抛光的表面。 如果压痕相对于表面粗糙部分要大 得多，那么表面的粗糙度对压痕尺 寸几乎没有影响[1]。重要的是表面 制备过程不应改变材料特性，也就 是说在制备工作完成后表面的变形 应该最小。 应该小心地在不同硬度标尺间进行换 算。最好尽可能避免换算并按照所需 方法进行硬度测试。如果没有严格的 实验数据做基础，尽量也不要进行对 硬度值至材料强度的换算。 洛氏（HR） 洛氏方法测试起来非常快速，可以用 于生产控制并且可以直接读取结果。 洛氏硬度（HR）工作原理：在一定 的载荷作用下，将压头压入试样材 料，随后测量压痕深度，计算得出硬 度值。压头材料可以是金刚石圆锥、 硬质合金球或钢球，具体采用何种材 料由使用范围决定。在加载主载荷之 前会先行加载一个较小的预载荷，随 后会卸载预载荷。在加载预载荷时就 会读取硬度值，详见图8。 有两种类型的洛氏测试：一种是常 规洛氏硬度测试，此时较小的载荷 值为10 kgf，主载荷值为60、100或 者150 kgf；另一种是表面洛氏硬度 测试，该方法主要用于对较薄试样进 行测试，此时较小的载荷为3 kgf，主 载荷为15、30或者45 kgf。通常待测 材料不应该用树脂镶嵌，因为洛氏硬 度测试是用压头运动来测量硬度值， 而非用压痕面积。当然具体影响视所 采用的机器而定。 布氏（HBW） 布氏方法因采用了碳化钨球形压 头，所以其压痕较为明显。符号为 HBW（W是钨的化学标志）。压痕尺 寸由光学元件读取以便确定硬度值。 该方法的典型应用为铸造或者锻造部 件，这类材料的结构元素较大且相分 布不均，或者由于结构过于粗糙而使 得采用其它方法（洛氏/维氏）无法得 到正确结果。 载荷范围：1-3000 kgf； 压头类型：1/2.5/5/10 mm直径球。 图8：图示洛氏硬度测试方法。洛氏方程：洛氏硬度HR=E-e。 “E”为定义常数，用金刚石压头为100，用球压头时为130。“e”是以0.002 mm为单元的压痕深度。 图 9：图示 布氏硬度测试 DuraJet，洛氏硬度 试验机 DuraScan 零位参考线 较小载荷 较小载荷 + 主载荷 较小载荷 加载载荷 a b d2 Edge a b d2 Edge 172o d1 Applied Load 130o 172o d1 Applied Load 130o 136o d1 d2 a) b) b) 4 5 a) 图 10： 图示维氏硬度测试方法。 努氏 （HK） 该方法可作为维氏方法的替代法，其 主要优点在于克服了脆性材料的裂纹 影响（例如陶瓷），同时便于测试薄 层。压头是不对称的菱形金刚石角锥 体，见图11。压痕尺寸仅由长对角线 的测量值决定，由光学原理读取该值 后可确定硬度值。努氏方法的载荷范 围为10 gf至1 kgf。相对于维氏方法， 努氏方法对表面制备的要求更高，这 主要是由于对角线变长会导致压痕更 浅。压痕间距由材料决定，见图12。 当在努氏方法中采用极小载荷时，硬 度测试值随载荷减小而增大。 图13：等离子喷涂层上的压痕尺寸 对比：a）努氏；b）维氏。载荷为 0.5 kgf。终抛步骤采用Nap 抛光布配合金刚石悬浮液 DiaPro Nap B（1 μm） 制备。 加载同样的载荷，努氏与维氏方法所 产生的压痕尺寸的对比见图13。 对于布氏、维氏和努氏方法，要注意 对角线的长度至少应为20 μm，否则 测量误差将过大。 显微硬度测试 如前所述，因显微硬度测试的测试载 荷小于1 kgf，因此其压痕尺寸很小。 显微硬度测试将硬度测试的适用范围 从宏观硬度测试扩展到了过薄或者过 小的材料。其载荷范围为1 gf-1000 gf，这是为了适应特定的相、成分 图11：图示 努氏硬度测试方法。 a）侧视图； b）正视图。 图12：努氏方法的压 痕间距由短对角线d2决 定，a和b的说明见下表 （ISO 4545）。 边缘 a b 钢、铜和铜合金 3∙d2 4∙d2 轻金属、铅、锡及其合金 3.5∙d2 7∙d2 维氏（HV） 维氏硬度测试方法（HV）是用一定 的载荷将正四棱锥金刚石压头压入试 样材料中，随后对压痕的对角线长度 进行测量，采用光学方法读取压痕尺 寸用以确定硬度值，见图10。确定两 个对角线测量值的均值后通过表格或 者公式获得硬度值，或者直接通过自 动硬度试验机得到。维氏方法的载荷 范围为10 gf至100 kgf。应用维氏硬度 测试方法时，所获得的硬度值一般不 受加载载荷值的影响。维氏压痕的间 距要求见图23。 加载载荷加载载荷 680 690 700 710 720 730 740 HV1 HV10 HV20 HV30 DuroFast MultiFast ClaroCit 6 7 及特殊部位，或者较大的硬度梯 度。例如很薄的表层、小的零件、 涂层、微焊件、金属粉末颗粒、独 立结构的元素或者晶粒。 在硬度测试之前最好不要对材料进行 腐蚀，这是因为腐蚀会导致材料表面 反光性降低，进而使得压痕拐角变得 难以识别。当然，对单一成分材料进 行测试时，轻度腐蚀有助于分辨不同 相/结构元素。 同时，硬度测试时加载的载荷越小， 对表面制备的要求就越高，此时可采 用机械法、化学法或者电化学法。应 当注意的是，不能因为材料制备过 程中采用了加热或者冷却处理方法 而使得试样本身的表面特性发生改 变。应根据测试载荷决定用6、3或 1 μm进行抛光，以去除切割和研磨 造成的变形。对于小于300 gf[4]的极 小载荷，测试表面应该完全没有任何 变形，此时需要对试样采用氧化抛光 甚至是电解抛光以获得没有任何损伤 的表面。还应该注意柔软和/或韧性材 料（即HV值小于120-150）更易产生 制备假象。 保持表面的平整度对获得可靠的测试 结果十分重要，将试样放置在夹具中 可确保压头垂直于测试表面。 4.制备建议 切割 应该使切割过程造成的试样变形尽 可能小。所以为待切割材料选择正 确的切割轮和进给速度十分重要， 可避免材料烧伤，同时尽可能地缩 短制备时间。 镶嵌 测试1表明对于不高于30 kgf（维氏） 的测试载荷而言，镶样树脂的影响并 不明显，见图14（测试采用了两种热 镶树脂：DuroFast（带矿粉填充物的 环氧树脂）和MultiFast（带木粉填充 物的酚醛树脂），以及一种冷镶树脂 ClaroCit（丙烯酸树脂）。 当待测试的材料需要有边缘防护时， 例如处理薄涂层或者经过表面处理后 的钢时，镶嵌应该使用带有填充物的 图14：树脂对硬度测试影响情况的调查结果。在这里，测试中试样被直接置于砧台上。 材料为硬化工具钢。终抛步骤为MD-Plus抛光布配合金刚石悬浮液DiaPro Plus（3 μm）。 1测试材料为0.5%碳钢和硬化工具钢，已镶钢材试样 的直径分别为25和32 mm。所有镶样直径为40 mm。 图14中的每列均代表3组12个压痕，而其中对ClaroCit 只进行一组测试。 树脂。DuroFast适用于硬化钢。而 LevoFast（含有矿粉和玻璃纤维填充 物的三聚氰胺）适用于更软的材料/涂 层（低于400 HV）。 研磨和抛光 研磨和抛光的方法取决于待测材 料。对于黑色金属，常规制备方法 见表2。它适用于大多数等级/热处 理的钢，例如表面硬化钢。终抛步 骤采用3 μm的金刚石悬浮液。该 方法快速有效，可以提供适用于硬 度测试的反光性表面。对于更软的 铝材，建议采用表3所列方法。图15 给出了对99.95%铝在切割和不同的 机械制备步骤后的自动硬度评估。 对于不同材料的金相制备，请参见 e-Metalog（www.struers.com）。 表2和表3中的数据适用于6个直径为 30 mm的固定在试样夹具座内的已 镶试样。 DuraScan 未镶嵌 维 氏 硬 度 a) b) c) d) 6 7 图15：对99.95%铝进行维氏硬度测试，HV 1：a）切割后直接测试；b）用MD-Largo和金刚石悬浮液 DiaPro Allegro/Largo（9 μm）精磨后；c）用MD-Mol和DiaPro Mol（3 μm）抛光后；d）用MD-Chem 和OP-U（胶状硅0.04 μm）氧化抛光后。 表2：钢的制备 方法。适用于6 个30 mm直径的 已镶试样。 当使用经过精抛后的表面时，例如氧化抛光表面，应该注意OP-U的测试结果可靠性低于OP-S。 表3：软铝的制备方法。适用于6个30 mm直径的已镶试样。 5.应用 硬化层深度 为了增强其耐磨损性，对于将用作 移动和旋转部件的钢会进行表面硬 化处理，例如齿轮、喷嘴和发动机 部件等。 通过测量横截面的硬度可以对硬度值 的变化进行量化测量。 硬化层深度（CHD）测量用于确定 钢的有效硬化层深度。具体过程已 经标准化，硬化层深度的评估值取决 于表面硬化所采用的方法，例如是经 过感应淬火、渗碳或者渗氮等。多数 情况下，在显微硬度载荷范围内使用 维氏方法（某些条件下也可以用努氏 方法）。 图16：硬化层深度测量。压痕尺寸在向试样中心扩展 时逐渐增大，表明材料硬度逐渐降低。 图17：压痕形成锯齿形。 表面 步骤 粗磨PG 精磨FG1 抛光P1 表面 MD-Piano 220 MD-Allegro MD-Plus 磨料类型 DiaPro Allegro/Largo DiaPro Plus 润滑剂类型 水 速度 [rpm] 300 150 150 力 [N] 240 240 30 试样夹具座方向 >> >> >> 时间 [min] 1 3 3 步骤 粗磨PG 精磨FG1 抛光P1 氧化抛光OP 表面 SiC砂纸 #320 MD-Largo MD-Mol MD-Chem 磨料类型 DiaPro Allegro/Largo DiaPro Mol OP-U 0.04 µm 润滑剂类型 水 速度 [rpm] 300 150 150 150 力 [N] 120 180 150 90 试样夹具座方向 >> >> >> >< 时间 [min] 1 4 3 2 8 9 当测量薄涂层或者热处理后表面时， 需要进行边缘防护。在进行CHD测试 时，随着硬度降低压痕尺寸会增大。 见图16。为了保证最小允许的压痕间 距（对于钢是对角线的3倍），可以 采用自动压痕间距方法。随着压痕尺 寸增大，压痕间距也会增大。 通常来说需要打大量压痕以达到硬度 极限。然而，在达到设定的硬度数值 时，借助现代的自动硬度试验机，设 备会自动停止测试，而不受预设测试 点数量的限制。 此测试有最小压痕间距要求，因为各 个压痕之间不应互相影响。为了增加 压痕数量和测试系列的准确性，可使 压痕呈锯齿形排列，见图17。 端淬测试 通过端淬测试方法可以了解钢的淬透 性。具有特定几何形状的测试棒被加 热到奥氏体化温度，然后使用一种标 准水柱对其一端进行冷却，见图18。 冷却之后，将棒的一端进行研磨，硬 度测试（HV 30或HRC）将从淬火端 开始间隔进行，见图19。因冷却速度 不同（与水冷端的距离不同），测得 的硬度值也会稍有差异。 焊接件 对焊接件进行硬度测试通常意味着要 在相对较大的试样表面打一系列的压 痕，且与试样的几何形状密切相关。 借助全景摄像头可以观察到整个试样 表面并能轻松地确定应打压痕的位 置。焊接件标准中会指定使用HV 5 或者HV 10。 图20是一个焊接件硬度测试压痕位 置。表4显示了相应的用Duramin- 图 19：端淬测试 图 20：借助全景摄像头布置测试点位置。 表 4：焊接件硬度测试结果 A300测得的硬度值。两块12 mm厚碳 钢板（型号为S55C）被焊接在了一 起。在开始硬度测试之前，用6 μm 抛光液抛光待测试表面，然后用硝酸 溶液进行轻度腐蚀。进行该测试是为 了验证焊接过程是否符合标准（根据 NF EN ISO15614）。该焊接件的硬 度最大值为320 HV 10。 关于焊接件的金相制备，请参见相应 的应用说明。 图18：图解端淬测试 （示例中的端淬测试数： J15=35 HRC，表示 距水冷端15 mm处测得的 硬度值为35 HRC）。 试样 水 距水冷表面的距离 序号 硬度值 方法 1 175 HV 10 2 175 HV 10 3 177 HV 10 4 237 HV 10 5 239 HV 10 6 249 HV 10 7 226 HV 10 8 225 HV 10 9 225 HV 10 10 234 HV 10 11 236 HV 10 12 231 HV 10 13 182 HV 10 14 175 HV 10 15 178 HV 10 16 241 HV 10 17 239 HV 10 18 232 HV 10 19 221 HV 10 20 226 HV 10 21 221 HV 10 22 230 HV 10 23 230 HV 10 24 223 HV 10 研磨后表面 硬度测试 洛 氏 硬 度 H R C Hardness Measurement 8 9 6.因素控制 在所有因素都得到有效控制之后，硬 度测试就变得非常简单了。因此，建 议掌握一些这方面的基础知识。下面 是对影响硬度测试的因素概览。 影响硬度测试的不同因素可被分成五 种主要的类型，它们与仪器设备、测 量本身、材料、操作人员以及环境有 关，见图21。要时刻注意尽量去消 除、减小它们，或者至少考虑到这些 因素。在下文中我们将会提到/讨论这 些影响因素。 操作人员因素 操作人员应该理解硬度试验机的正确 运行方式、对表面的要求以及固定技 术，以便尽可能高效地使用该机器， 同时减少测试过程中的工作量。 环境因素 硬度测试应该在干净平滑且反光性较 好的表面上进行（适用于维氏、布氏 和努氏测试方法）。测试应该在稳定 环境下进行，也即温度和湿度等条件 图21：影响硬度测试的五个主要因素 应该保持稳定。对于带有光学识别功 能的压头来说，应该考虑照明强度会 影响对压痕尺寸的读取。因此，最好 将硬度试验机置于一个暗的环境中以 保证照明强度恒定。测量也会受到周 围振动的影响，所以应该将振动控制 在最小范围。载荷越小，其对振动越 敏感。因此建议将硬度试验机放置在 特殊机座上（例如花岗岩台面）。 表面不能有任何污物，包括水锈、灰 尘、油污和脂类污渍。一层润滑薄膜 即会降低摩擦系数，进而使得对于给 定的载荷压痕尺寸变大，也就是说测 得的硬度值会稍小。所以，对所有测 量都应该保持表面情况一致以便获得 可比较的结果。 仪器因素 在仪器因素中，要考虑载荷、压痕和 压头。为了获得更加精确且具有重复 性的载荷，最好采用传感器加载技 术；因为它比机械加载系统更加精 确，例如该系统可以不受系统内摩 擦和惯性的影响。为了满足对加载载 荷精确性的要求，定期校准系统很重 要。日常使用中，多数情况下校准是 一种间接性的验证，针对不同的硬度 值范围采用不同的校准块从而验证在 使用范围内的准确度。影响压痕的因 素见表5。压痕偏离垂线的角度不能 超过2o（最大），否则会产生误差。 同时，压头和试样之间不能有平行移 动。如有可能，试样应夹固于无毛刺 的砧台上。 压痕间距应该足够大以保证压痕之间 不会互相影响。压痕外的塑性变形会 导致大多数材料硬化，因此如果压痕 过近，材料会显得偏硬。在平冲头 (黄 色) 作用下塑性区 (蓝色部分) 形成原理 见图22。 因此，不同测试标准给出对压痕间 距以及对边缘距离的要求。对维氏 硬度测试方法来说，ISO给出的说明 见图23。 表5：仪器因素 冲头 塑性区 图22：根据普朗特（Prandtl）理论，在硬 质平冲头（黄色）作用下形成的塑性区划移 线场（蓝色部分）。 环境 仪器 材料 测量 操作人员 加载载荷 压痕 压头 其它 精确度 速度 侧移 砧台，支承台 可重复性 惯性 形态偏差 轴 角度 损坏 试样偏离 时间 材料 仪器校平 间距 硬度测试 10 11 图23：根据ISO 6507定的的维氏压痕间 距。a和b的说明见下表，其中的dm是压 痕对角线的均值。 材料因素 材料因素包括： • 微观结构的不均匀性 • 试样制备的质量 • 试样表面的反光性/透明度 • 材料类型 • 材料处理 • 材料形状 • 镶嵌树脂 试样需要有合适的厚度：打压痕不应 穿透整个试样。应当注意在硬度测试 完成之后，试样背面不能目测看到任 何变形。因此，试样的厚度至少应是 压痕深度的10倍（洛氏方法）。在维 氏方法中，厚度至少应为压痕对角线 长度的1.5倍。 当测量球形和圆柱形表面时，应该进 行修正。修正因子由表面的凹凸状态 决定。可以手动在图表中找到这些修 正因子，或者一些更新款的自动硬 度试验机中也会内置这些图表。对 于圆形试样，应该使用特制的砧台 （见图24），同时使用凸起表面的 修正因子。 在选择硬度测试方法时，应该注意所 选方法的打压痕区域应涵盖待测材料 的所有不同结构元素，以便得到能反 映材料整体结构的压痕。例如对于铸 表 6：测量因素 图24：用于放置柱形表面的特制专用支架。 边缘 ≥ a ≥ b 造结构而言，最好采用布氏方法；因 为这种结构相很多，所以需要更大的 压痕以便涵盖不同的结构元素。 测量因素 测量因素见表6。如果一台硬度试验 机将被用于进行几个不同类型的硬度 测试，那么操作人员应该分别校验每 个测试。在校验之前需要保证照明强 度不会影响到硬度值的读取。 针对基于光学读数的硬度试验机，应 该尽可能使用大载荷以减小误差。压 痕的对角线/直径应该大于20 μm。 在维氏测试中，对同一压头产生的 压痕，其对角线长度的差异不得超 过±5%。为了获得最优的结果，如 有可能，对角线应该占镜头视场的 25-75%。在确定大硬度梯度时，例 如当进行表面硬化测试中，这个要求 将很难满足。 应确保使用正确的压头，且其无表 面缺陷，以便得到可靠的结果。最 好每天都能通过一个参考硬度块目 测检查压头，以保证压头表面无瑕 疵、裂纹等（维氏ISO 6507）。压 头有任何缺陷都将导致您无法得到 可靠的结果。 a b 钢、铜和铜合金 2.5∙dm 3∙dm 轻金属、铅、锡及其合金 3∙dm 6∙dm 采用步骤 校验系统 其它 应用方法 (HV、HB、HR、HK) 加载系统校正 振动 方法可行性 目镜的放大倍数 污物、灰尘、碎片 执行标准 (ASTM、ISO、JIS) 目镜的分辨率 图像质量不行 照明强度恒定性 10 11 7.采用何种方法? 维氏方法最通用，因为它只有一个压 头且载荷范围很宽（显微/宏观硬度 范围）。该方法可以用于各种材料和 很多应用中（硬化层深度测量、端淬 测试、焊接件测试、陶瓷和涂层测 试），但是该测试方法对表面制备要 求相对较高。 努氏方法可加载载荷比维氏方法种类 要少（显微硬度测试范围），特别适 用于陶瓷和薄涂层的测试，但是要求 好的表面制备。 布氏方法适用于多相金属以及含有晶 粒大的结构元素的金属，例如铸造 或者锻造物。但由于该方法的载荷 较大，且考虑到其压头类型，所以 仅限用于测试大的试样，尤其是铸 铁、钢和铝。 洛氏方法可用于大多数材料，但由 于该方法的载荷较大，且考虑到其 压头类型，所以仅限用于测试大的 试样。 详情请查看Struers主页上的“关于硬 度测试”的内容： www.struers.com/knowledge。 8.总结 硬度测试非常有用，可用它来评估材 料性能、并在生产过程及研发工作中 进行质量控制。必须根据具体应用选 择硬度测试方法。试样制备等级的选 择取决于材料特性和测试载荷。 试验表明，在维氏测试中，无论试样 是直接置于砧台上还是置于夹具上， 至少在载荷不高于30 kgf时，镶样树 脂不会产生很大的影响。加载载荷越 小，表面制备就越要精细。因为较软 的材料（小于120 HV左右）更易产生 制样假象。 www.struers.cn 司特尔(上海)国际贸易有限公司 中国上海市杨浦区大连路970号 海上海9号楼702室 邮编: 200092 电话: +86 (21) 5228 8811 传真: +86 (21) 5228 8821 struers.cn@struers.dk Struers A/S Pederstrupvej 84 DK-2750 Ballerup, Denmark Phone +45 44 600 800 Fax +45 44 600 801 struers@struers.dk应用说明 硬度测试与试样制备 Maria Lindegren，Struers A/S 感谢 首页图片 (DuraPro 200)： 蒙准Emco-Test，奥地利 焊接件示例，图20和表4： 蒙准Institut de Soudure，法国 Peter Bucan, Struers A/S Jean-Marie Boccalini，Struers S.A.S.，法国 参考文献 1. Tabor, D：《金属的硬度》(The Hardness of Metals），牛津大学出版社，2007 2. Vander Voort, Georg F.：《金相原理和实 践》(Metallography Principles and Practice)， ASM International，1999 3. Palmqvist, S：《确定脆性材料 (尤指硬质 合金) 刚性的方法》(Method for determining the toughness of brittle materials, particularly sintered carbides)，Jernkontorets annaler， 卷141，1957 4. ASM international，卷8 5. 洛氏：应用标准：ASTM E18 / ISO 6508 / JIS Z 2245 6. 布氏：应用标准：ASTM E10 / ISO 6506 / JIS Z 2243 7. 维氏：应用标准： ASTM E384 - 显微力范围 - 10g 至 1kg ASTM E92 - 宏观力范围 - 1kg 至 100kg ISO 6507 - 显微和宏观范围 JIS Z 2244 8. 努氏：应用标准：ASTM E384 / ISO 4545 / JIS Z 2251 9. Kay Geels：《金相和材相试样制备， 光学显微镜，图像 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 和硬度测试》 (Metallographic and Materialographic specimen preparation, light microscopy, image analysis and hardness testing)，ASTM International，2006 术语表 其它更早的维氏硬度测试的符号是VHN (Vickers Hardness Number维氏硬度值)和DPN (Diamond-Pyramide Hardness Number金刚石棱 锥硬度值)。 努氏：一个更早的符号是KHN (Knoop Hardness Number努氏硬度值)。 06.2010 / 62040510. Printed in China