硬度测试

硬度测试

硬度测试是很多质量控制程序和研发工作的关键要素。

什么是硬度测试?如何选择最佳的硬度测试方法?哪些是硬度测试的最佳应用?如何得出硬度测试的结论?以下页面将回答这些问题 – 以及其他问题。

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硬度测试的定义是什么?

应用硬度测试可让您评估材料的属性,例如强度、韧性和耐磨性,以便帮助您确定材料或材料处理是否适合您的需求。

硬度测试的定义是“用于确定材料抵抗另一种较硬材料侵入所导致的永久变形的能力的测试”。但是,硬度并不是材料的基本属性。因此,在作出硬度测试结论之时,应始终评估以下相关数值:
  • 在压头施加的载荷
  • 具体的载荷施加时间分布和特定载荷的持续时间
  • 压头的具体几何形状

硬度测试的具体原理是怎样的?

硬度测试一般通过以下方式进行:将具体尺寸和载荷的物体(压头)压入您要测试的材料表面。通过测量压头压入的深度或测量压头留下的压痕尺寸来确定硬度。
  • 测量压头压入深度的硬度测试包括:洛氏硬度、仪器压痕试验和球压痕硬度
  • 测量压头留下的压痕尺寸的硬度测试包括:维氏硬度、努氏硬度和布氏硬度

选择最佳的硬度测试方法

如何选择测试方法

硬度测试方法的选择取决于所测试材料的微结构(例如同质性)、材料的类型、部件的尺寸及其状态。

在所有硬度测试中,压痕下的材料对于整体微结构而言应具有代表性(除非您是为了确定微结构的不同成分)。因此,如果微结构非常粗糙和异质,则相比于同质材料需要更大的压痕。

硬度测试类型主要有四种,每种都有自己的优点和要求。这些测试都有着不同的标准,其中详细解释了硬度测试的步骤和应用。

在选择硬度测试方法时,需要考虑的重要事项包括:
  • 要测试的材料类型
  • 是否需要符合标准
  • 材料的硬度估值
  • 材料的同质性/异质性
  • 部件的尺寸
  • 镶样是否必要
  • 待测试的试样数
  • 对结果准确性的要求

四种最常见的压痕硬度测试

洛氏硬度

洛氏硬度测试

洛氏硬度是一种针对生产控制开发的快速硬度测试方法,使用直接读数,主要用于金属材料。可通过在使用给定载荷将压头压入试样材料后,测量所得压痕的深度来计算洛氏硬度 (HR)。

  • 通常用于几何形体较大的试样
  • 一种主要用于金属材料的“快速测试”方法
  • 可用于高级测试,例如末端淬透性(末端淬火)测试 (HRC)

维氏硬度

维氏硬度测试

维氏硬度是一种适用于所有固体材料的硬度测试方法,包括金属材料。在使用给定载荷使金刚石棱锥压头留下压痕后,可通过测量试样材料中的压痕对角线长度来计算维氏硬度 (HV)。压痕对角线可通过光学方式测量,以便通过表格或公式确定硬度。

  • 适用于所有固体材料的硬度测试方法,包括金属材料
  • 适合各种应用
  • 包括用于焊接点硬度测试的子组

努氏硬度

努氏硬度测试

努氏硬度 (HK) 可用于在微观硬度测试领域中替代维氏硬度测试。这种方法主要用于克服脆性材料中的开裂,以及对薄层进行硬度测试。使用的压头是非对称的金刚石锥体,压痕则通过光学方式测量长对角线得出。

  • 用于较硬的脆性材料,例如陶瓷
  • 适用于小型细长区域,例如涂层

布氏硬度

布氏硬度测试

布氏硬度测试通常用于对具有粗糙或不均匀晶粒结构的材料的较大试样执行硬度测试。布氏硬度测试 (HBW) 在压印时使用的是碳化钨球,留下的压痕相对较大。压痕的尺寸通过光学方式读取。

  • 用于具有粗糙或不均匀晶粒结构的材料
  • 用于较大的试样
  • 适用于结构元素较大的锻件和铸件

如何确保硬度测试的准确性和可重复性

正确应用硬度测试需要进行仔细的准备和执行。但是,只要正确掌握基础知识,大多数硬度测试都能实现很好的准确性和可重复性。

影响硬度测试的因素

很多因素都会影响硬度测试结果。一般来说,硬度测试中使用的载荷越低,需要控制的因素越多,这样才能确保得出准确的硬度测试结论。

以下是确保得出准确的硬度测试结论所要考虑的一些最重要的因素。
  • 应该控制诸如光、污垢、振动、温度和湿度等外部因素
  • 应该将测试仪和载物台固定在牢固的水平工作台,将试样夹在或固定在支架或砧座中
  • 压头应垂直于被测表面
  • 在使用维氏、努氏或布氏方法时,应在测试过程中保持照明设置恒定
  • 在每次更换压头或物镜时,应该重新校准/验证测试仪
硬度测试

硬度测试的表面制备要求

为金属材料或其他材料执行硬度测试前,必须制备表面。所需的表面条件具体取决于所使用的测试和载荷类型。通常来说,表面制备的质量会对硬度测试结果产生直接影响,所以应先权衡表面质量与测试结果变化之间的关系,然后再决定是否降低表面制备的质量。

宏观硬度测试
通常只需要将表面磨光,有时甚至无需进行任何制备。

微观硬度测试
由于硬度测试期间的载荷较低,微观硬度测试需要抛光或电解抛光的表面。以光学方式计算的压痕的边界/角必须清晰可见。这可通过机械、化学或电化学方式进行。需要注意的是,加热或冷却加工不得改变试样的表面属性。

变形

切割和研磨可能会导致变形。根据硬度测试载荷,必须通过抛光到 6.0、3.0 或 1.0 μm 来消除这些变形。

对于较小的载荷(小于 300 gf1),表面不得存在任何变形,并且需对试样进行氧化物或电解抛光,以获得完全无损的表面。您还应考虑软质和/或韧性材料(即,HV 低于 120-150)因为更加敏感,可能会产生制备痕迹。

在下表中,您可以看到不同硬度测试的表面制备要求。

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硬度测试载荷定义

正式情况下,硬度测试载荷以牛顿 (N) 为单位。但是,历史上也曾以千克力 (kgf)、克力 (gf) 或磅 (p) 为单位来表示载荷。kgf、kp 和 N 之间的关系如下:1.0 kgf = 1,000 gf = 1.0 kp = 9.81 N。
  • 术语“微观硬度测试”常用于压痕载荷低于或等于 1 kgf 的情况
  • 当载荷高于 1kgf 时,将使用术语“宏观硬度测试”

如果标准允许,应使用可能的最大载荷/力来形成最大的压痕,以获得最准确的结果。

金属材料的四种硬度测试方法中所使用的载荷*遵循的是不同的 ISO 和 ASTM 标准。

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硬度测试压痕间距

压痕间距

在硬度测试期间,压痕会使周围材料变形,并改变其属性。为了避免错误地解读硬度,各标准规定了多个压痕之间所需保持的特定距离。

金属材料维氏硬度测试压痕间距示例

  • 对于钢、铜和铜合金:压痕之间的间距必须至少达到三个对角线宽度
  • 对于铅、锌、铝和锡:压痕之间的间距必须至少达到六个对角线宽度

硬度测试故障排除

问题

对于硬度测试来说,难以在制备过程中获得与平面平行的表面。此外,压头应垂直于被测表面。对于维氏硬度测试,所测量的各个对角线彼此之间的偏离不应超过 5.0%。对于努氏硬度测试,长对角线两部分彼此之间的差异不得超过 10.0%。

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解决方法:

如果偏差不是因材料的各向异性导致,则最佳解决办法是使用夹具夹住试样,以使压头垂直地压入表面。如果没有可用的夹具,则确保试样的机械制备可形成与平面平行的端面。
如果试样表面过于粗糙,则在评估压痕的边角时可能会遇到困难,特别是在使用自动化设备的情况下。在使用自动化硬度测试时,制备过程中的划痕可能会导致压痕尺寸读数有误。
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解决方法

使用抛光的表面。表面制备要求取决于为材料施加的载荷以及材料的硬度:材料越软,需要质量越高的抛光。请参阅关于如何执行硬度测试部分中的制备要求,并在电子元数据记录中查找适用于材料的制备方法。
如果在机械制备后未正确清洁试样,且对硬度测试进行光学读取,则自动读数可能会导致对压痕边角的错误解读。
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解决方法

执行硬度测试前,请务必确保正确清洁试样,否则抛光布中的污染物(例如,污垢或纤维)可能会使读数出错。
对于蚀刻程度高的试样,可能难以评估压痕的边角,这可能会导致硬度测试的结论不准确。
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解决方法

应尽可能避免蚀刻,因为这会导致反射面减小。如果必须进行蚀刻,则优选光蚀刻,这样可以区分出压痕的角。例如,在评估焊接点时偶尔就需要进行蚀刻。
硬度值高于预期。
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解决方法

查看相关规定,以确保在硬度测试中使用了正确的压痕间距。如果硬度压痕彼此过于靠近,可能会出现应变硬化。
硬度测试设备

全系列硬度测试机器

硬度测试是大多数质量控制程序的关键步骤。正因如此,我们提供了全系列硬度测试设备和附件来满足您的各种需求,从小型实验室应用到生产中的大型硬度测试。

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