硬度试验基础知识

了解本白皮书中提供的有关注意事项、试样尺寸、试样厚度、刻度和硬度试验方法等硬度试验基础知识的信息。
硬度检测的基础知识
硬度是材料的一个特征,而不是基本物理特性。它的定义是抗压痕强度,通过测量压痕的永久深度来确定。更简单地说,当使用固定的力值(负载)和特定的压头时,越小的压痕就代表材料硬度越高。使用 12 种不同测试方法中的一个测量压痕的深度或面积可得到该压痕硬度数值。

硬度测试应考虑的因素
在选择要使用的硬度测试方法之前,应优先考虑下列的样品特征:

• 样品的尺寸
• 圆柱形样品
• 样品的厚度
• 标尺
• 设备的再现性和重复性

样品的尺寸
部件尺寸越小,形成所需压痕的负载就越低。对于小尺寸的部件满足最小厚度要求以及压痕远离内部或者外部边界是极为重要的。较大的部件需要用适当的夹具妥善固定,以确保在测试过程中不会移动或滑动。那些突出于砧座或者不易用砧座支撑的部件应该装夹到位或给予适当的支撑。 

圆柱形样品
由于轴向和径向的材料滑动之间有差异,当测试小直径的圆柱形样品时,测试结果是需要修正的。根据圆柱凸面的直径,圆弧修正参数被添加到测试结果。此外,与边缘或另一个压痕保持等于约为压痕直径 2〜1/2 倍的最小间隔是很重要的。 

样品的厚度
样品的最小厚度应当至少是压痕深度的十倍。普通和表面洛氏方法都有最小厚度的要求。

标尺
有时候必须以一种标尺测量而以另一种标尺报告。转化功能很有必要,但要注意的是它未必能提供可靠的信息,除非已经以不同标尺的测试完成了实际的相关性。 

设备的再现性和重复性
设备的重复性和再现性研究用于计算操作者和仪器根据特定测试样品的允差范围进行测试的能力。硬度测试也有固有变量,它们以标准的设备R&R程序和实际测试样品的公式来排除。材料的变化和无法以深度测量仪在同一区域进行测试是两个影响 GR&R 结果的显著因素。为了尽量减少这些影响,最好是对于高一致性的标准块进行研究,以便最小化这些内置变化。 


硬度测试的方法

在 ASTM E-18 中定义的洛氏测试方法是最常用的硬度测试方法。洛氏测试一般较容易进行,而且比其他类型的硬度测试方法更准确。洛氏测试方法用于所有金属,除非测试的金属结构或表面条件会导致太多的偏差;还有那些对于应用的压痕太大;或者样品的尺寸或形状限制了测试。 
洛氏方法测量由压头上的力/负荷产生的压痕的永久变形深度。首先,使用金刚石压头对样品施加初步的加载力(通常被称为预载荷)。此负荷表示穿透表面以降低表面光洁度影响的零位或参考位置。

 完成预压后,再加上被称为主载荷的额外负载,以达到所需的总测试负载。考虑到弹性回复,保持这个力度至预定的时间(保载时间)。然后释放该主载荷,然后测量该最终位置与从预压位置的压痕深度偏差,以及预压和主载荷之间的压痕深度偏差。这个距离被转换成硬度值。

布氏测试方法由ASTM E10标准定义。大多时候用于测量铸件和锻件这些表面或者结构过于粗糙的材料。布氏测试经常使用非常重的测试负载(3000 千克力)和 10 毫米宽的压头,以便均衡压痕大部分的表面和次表面的不一致性。 

布氏方法以预定的测试负载(F)加载到一个固定直径(D)的碳化钨钢球,保持一定的预载时间然后卸载。然后对压痕进行至少两次直径测量 - 通常互相垂直方向上然后取平均值(d)。随后使用转化表把测量的平均直径转换为布氏硬度值。测力范围在 500 至 3000 千克力之间。

一般上布氏硬度试验机产生一个压痕,接下来再使用专配的布氏显微镜或光学系统测量压痕的直径。然后使用布氏公式或基于公式的转换表把测量结果转换成布氏值。

球型压头的直径范围可以在 10 毫米至 1 毫米之间。一般而言,更低的负载和球型直径是为了更方便地与其他仪器结果比对,如具有小负载量程的洛氏单位。 

维氏测试方法,维氏测试方法也被称为显微硬度测试方法主要用于小零件、薄片或硬化层深度工作。维氏方法是基于光学测量系统的。显微硬度测试程序 根据ASTM E-384标准要求 以金刚石压头按照指定的低负载范围加载形成压痕,并测量、转换为硬度值。 

只要测试样品是精心准备的,该测试对于广泛类型的材料检测是十分有用的。
底面为正方形的倒锥形金刚石用于维氏标尺的试验。虽然“宏观”维式负载的范围可以高达 30 公斤以上,常规负载是很轻的介于几克到一或几公斤范围之内。该显微硬度的方法用于检测金属、陶瓷、复合材料 - 几乎任何类型的材料。

由于维氏测试的压痕是非常小的,它适用于不同种类的应用:检测非常薄的材料如金属箔或测量部件、小零件或小区域的表面、测量单个微观结构或测量硬化层深度。该测量通过部分剖面进行一系列的压痕来描述硬度变化的剖面。 

努氏测试方法,也被称为显微硬度测试方法主要用于小零件、薄片或硬化层深度工作。维氏方法是基于光学测量系统的。显微硬度测试程序 根据ASTM E-384 标准要求按照指定的低负载范围加载形成压痕,并测量、转换为硬度值。 

只要努氏测试样品是精心准备的,该测试对于广泛类型的材料检测是十分有用的。倒锥形的金刚石压头以努氏规模进行检测。此压头不同于上文维氏测试中所使用的倒锥形型压头。努氏压头的形状是比较延伸或矩形的。 

当压痕间隔非常紧密或非常接近样品的边缘时通常会使用努氏方法。努氏压痕的宽度可以为测量提供更高的分辨率而且压痕也更浅。因此,它可以用于非常薄的材料。 
努氏测试中,以倒锥形的金刚石压头在指定的保载时间内施加预定的测试负载。

努氏测试中所使用的倒锥形压头比维氏测试中的压头更细长。保载时间后卸载。与测量压痕的纵向和横向长度取得其平均值的维氏测试不同,努氏方法仅仅测量压痕的横向长度。然后以根据转换表换算为努氏硬度值。 

由于努氏测试的压痕非常小,它适用于不同种类的应用包括检测非常薄的材料如金属箔或测量部件、小零件或小区域的表面、测量单个微观结构或测量硬层硬化的深度。该测量通过部分剖面进行一系列的压痕来体现硬度的变化。  

硬层深度就是样品上的硬化层厚度。硬层硬化改善了部件在动态和/或热应力作用下的耐磨性和疲劳强度。硬化钢部件一般用于需要高耐磨性和强度转动的应用。硬层硬化的特性主要是由表面硬度、有效硬化深度和残余应力的深度剖面来确定的。变速器和发动机部件就是硬化的例子。 

硬层深度测试一般通过从样品边缘朝向中心的产生一系列的硬度压痕。之后把硬度的演变绘制在图上,并计算从该表面到硬度极限(HL)的距离。