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2019-04-26
常用硬度测试方法介绍（下篇-维氏、努氏硬度）
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维氏硬度
维氏硬度试验方法是英国史密斯(R.L.Smith)和塞德兰德(G.E.Sandland)于1921年提出的。原理是以一定载荷将相对面夹角为136°的方锥形金刚石压头压入材料表面，保载一定时间后，卸掉载荷，测量压痕对角线，由公式计算，便得到维氏硬度值，如图1。
图1.维氏硬度原理图
关于测量过程
选择合适的试验力
处理样品表面
固定样品，使其平整且稳固
施加载荷F，并且保载一定时间
光学测量压痕的对角线，并求平均值D，并由公式计算得到硬度值
公式为
关于试样处理
试样表面应平坦光滑，测试面应无氧化皮及外来污物，尤其不应有油脂，除非另有规定。
宏观维氏：大载荷下将表面细磨光就可达到要求，但是通常推荐在抛光表面上测试。
显微维氏：推荐抛光表面（≤1um）。
关于压痕形状
合格的维氏硬度压痕应该是边界清晰的正方形，保证其对角线得到精准的测量，如图2(a)。图2(b)的压痕是不合格的，此时应及时更正测试条件，如严格处理试样表面、装夹试样时要保持平整稳固、更换合适的载荷等等。
图2.维氏硬度压痕形状
(a)优秀的维氏硬度压痕；(b)不合格的维氏硬度压痕
关于压痕位置
维氏硬度对材料较敏感，软硬不同的材料，其测量过程中压痕位置的要求不一样。图3(a)是较硬材料（如钢、铜合金等）的压痕位置要求，图3(b)是较软材料（如锡、锌、铝及其合金等）的压痕位置要求。
图3.维氏硬度压痕位置要求
(a)较硬材料；(b)较软材料
关于硬度值表示
关于优势与局限性
优势
-不同试验力间硬度值可对别
-所有材料只需要一种测试方法
-低载荷方法能够测试材料小区域的细节和析出相的硬度
局限性
-当测试力降低时，对很多因素敏感，包括:
• 样品制备
• 测试变量
• 测量方法
关于应用
维氏硬度测试特别适应于精密仪表中的薄件、小件以及镀层、渗碳、渗氮层等的硬度测定。
显微维氏硬度测试验因其试验力比较小，更能进行材料金相组织及脆性材料的硬度测量。
关于产品
可测维氏硬度的硬度计有VH1150维氏硬度计、VH1102/VH1202显微硬度计、VH3100/VH3300自动化维氏/努氏硬度计。详细内容，后文将结合努氏硬度部分介绍。
努氏硬度
美国的Knoop发明了努氏硬度，并以其名字命名。努氏硬度在我国列为小负荷硬度测试。努氏硬度测试方法实际上是维氏硬度的一种新发展，其原理与维氏硬度类似：将顶部两棱之间的α角为172.5 º和β角为130 º的棱锥体金刚石压头以适当地试验力压入试样表面，保载一定时间后卸载，测量压痕长边对角线，并由公式计算最终硬度值。
图4.努氏硬度原理图
关于测试过程
努氏硬度测试方法因原理与维氏硬度相似，其测试过程也类似于维氏硬度。
选择合适的试验力
处理样品表面
固定样品，使其平整且稳固
施加载荷F，并且保载一定时间
光学测量压痕的长边对角线长度D，并由公式计算得到硬度值
公式为
关于试样处理
努氏硬度测试的试样表面要求与显微维氏硬度测试的表面要求一致
显微硬度：推荐抛光表面（≤1um）
关于压痕形状
合格的努氏硬度测试的压痕也必须要得到边界清晰的压痕，图5(a)是合格的，图5(b)则是需要避免的状况
图5.努氏硬度压痕形状
(a) 优秀的努氏硬度压痕；(b)不合格的努氏硬度压痕
关于压痕位置
硬度测试产生压痕的过程会引起残余应力和加工硬化，过于靠近边缘会导致材料不足以限制压痕周围的变形区，因此，若压痕位置不当，测试结果易产生能够误差。压痕位置的选择参考图6。
图6.努氏硬度压痕位置要求
关于优势与局限性
优势
-所有材料只需要一种测试方法
-低载荷方法能够测试材料小区域的细节和析出相的硬度
-压痕形状使其进行下述精确测试:
• 涂层和样品边缘
• 材料硬度变化较大的区域
• 方向性能
局限性
-不同试验力之间硬度值不具有可比性
-当测试力降低时，对很多因素敏感，包括:
• 样品制备
• 测试变量
• 测量方法
关于应用
努氏硬度测试主要用于金属学、金相学研究，特别适于测试硬而脆的材料，常被用于测试法郎、玻璃、人造金刚石、金属陶瓷及矿物等材料。它还可以用于表面硬化层有效深度的测定，用于细小零件、小面积、薄材料、细线材、刀刃附近的硬度、电镀层及牙科材料硬度的测试。
关于产品（维氏与努氏）
努氏硬度没有专门的硬度计，通常是与显微维氏硬度计共用，只要更换压头并且改变硬度值算法即可。各台硬度计的参数的介绍分别如下：
图7.Wilson VH1150维氏硬度计
VH1150维氏硬度计
-可提供300gf-50kgf的独特负载范围
-自动加载选择为用户省去了一个难以操作的旋钮，并开启了自动化应用的新可能
-连同可调节的底盘和倾斜的用户界面，自动加载的选择为用户打造了完全符合人体工
学的系统中心
-多尺度变换，形状校正和USB数据输出使硬度测试更容易，用户更易专注于测试过程中的控制
主要参数如表1所示
表1.Wilson VH1150维氏硬度计的基本参数
|
硬度标尺 |
HV, HK |
|
测试载荷 |
300gf - 50kgf |
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测试跨度 |
0.3 ，0.5 ，1 ，2 ，3 ，5，10 ，20 ，30，50kgf |
|
测试载荷精度 |
±1.5% < 200g, ±1% > 200g |
|
加载力 |
电机控制砝码 |
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保持时间 |
1 - 99 秒 |
|
符合标准 |
ASTM E384 & E92; ISO 6507, 9385, 4546 |
|
转塔 |
五位自动转塔 |
|
物镜 |
10x, 20x 标配 40x, 50x & 100x 可选 |
|
目镜 |
数字, 分辨率 0.01μm @200x |
|
照明 |
LED |
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工作温度 |
50 - 100°F [10 - 38°C] |
|
工作湿度 |
10 - 90% 不凝结 |
|
电源 |
65W - 100-240VAC, 50/60Hz |
图8. VH1102和VH1202维氏和努氏硬度计
VH 1102和VH 1202维氏和努氏硬度计
-功能多样、易于操作，可为显微硬度的精确测试提供经济可靠的解决方案。
- VH 1102适用于单标尺显微硬度测试，配备3位转塔，其中包括一个压头位和一个10X和50X镜头。
- VH 1202应用范围更加广泛，配备6位转塔，其中包括两个压头位和一个5X，10X和50X的长工作距离镜头。
-两种设备都包含USB数据输出，8种可选试验力，先进的触摸屏用户界面，测试快速，数据收集方便。
主要参数如表2
表2. VH1102和VH1202维氏和努氏硬度计基本参数
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VH 1102 |
VH 1202 |
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硬度标尺 |
维氏和努氏 |
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主力 |
10gf - 1kgf (2kgf 可选) |
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试验力控制类型 |
电机驱动砝码 |
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垂直测试高度 |
4.1in [130mm] / 带有XY试台 3.7in [95mm] |
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水平测试宽度 |
5.1in [130mm] |
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物镜 |
10x and 50x 常规 |
5x, 10x and 50x 长工作距离 |
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总放大率 |
100x, 500x |
50x, 100x, 500x |
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压头 |
1个压头位 维氏或努氏 |
2个压头位 维氏和努氏 |
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数据输出 |
USB或RS232 |
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用户界面 |
多语言4.7in LCD触摸屏 |
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XY试台选择 |
手动试台100 x 100mm, 25 x 25mm行程 自动化试台 100 x 100mm行程（仅电脑软件） |
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照相软件 |
从基本照相套装到全自动系统皆可获取，联系当地标乐销售代表获取更多详细信息 |
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符合标准 |
ISO 6507, ASTM E384 |
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电源 |
100 - 240VAC, 60/50Hz |
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应用 |
热处理效果检验 焊接或沉积硬度 钢铁、有色金属、集成电路晶片 薄型塑料、金属箔片、镀层、涂层、硬化层、层状金属 渗碳层和淬火层硬化深度 陶瓷、钢铁、有色金属 薄板、金属箔片、镀层、微型物质 |
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图9. VH3100和VH3300维氏和努氏硬度计
VH 3100和VH3300维氏和努氏硬度计
-闭环力值传感器测量系统、仪器、控制系统、配件、和首选工业软件，高性能测试平台，全自动测量系统，可以在1小时以内打压并测试150个点。
-VH3100硬度计可配备1个力值传感器和1个压头，同时有10个载荷。
-VH3300力值范围更宽，可配置3个力值传感器和3个压头，其载荷范围为10gf – 50kgf。
-耐碰撞系统，防止硬度计压头或样品损坏。
主要参数如表3
表3. VH3100和VH3300维氏和努氏硬度计基本参数
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VH3100 |
VH3300 |
|
标尺 |
HV, HK, HB |
HV, HK, HB |
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压头 |
1位（可选配快速更换型） |
3位（可选） |
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转塔 |
自动，3位+全景相机位 |
自动，6位，含全景相机位 |
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测试载荷 |
50gf-10kgf |
10gf-1kgf 100gf-10kgf 5kgf-50kgf |
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测试载荷精度 |
±1.5% < 200g, ±1% > 200g物镜 |
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加载方式 |
闭环传感器 |
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放大范围 |
30X - 2000X 带数字变焦 |
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光源 |
LED |
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湿度 |
10 - 90% non-condensing 不凝结 |
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应用 |
钢铁、有色金属、IC晶片 薄型塑料、金属箔、镀层、涂层、表面硬化层、层压金属 热处理效果 渗碳层硬化深度 硬质合金、陶瓷、钢铁、有色金属 薄板、金属箔、电镀、微型目标物 焊接接头或者沉积层的硬度测试 |
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常用的硬度测试方法的比较如表4，根据测试的标准与材料等差异来选择适当地测试方法。
表4. 常用的硬度测试方法的比较
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布氏硬度 |
洛氏硬度 |
维氏硬度 |
显微维氏硬度 |
努氏硬度 |
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缩写 |
HB |
HR |
HV |
HV |
HK |
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压头材料 |
淬火钢 硬质合金 |
硬质合金 金刚石 |
金刚石 |
金刚石 |
金刚石 |
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压痕形状 |
圆形 |
圆形 |
方形 |
方形 |
菱形 |
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载荷大小 |
很大 |
较大 |
一般 |
很小~10g |
极小~g |
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测量材料 |
硬 |
普通金属 |
软硬材料 |
薄层镀层 |
极薄层 |
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精度重复性 |
一般 |
较差 |
较好 |
较好 |
很好 |
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突出优点 |
-重复性好 -可转换为抗拉强度 |
-损伤小 -效率高 多种材料 |
-损伤小 -软硬厚薄 -精度高 |
-薄层硬层 -精度高 |
-极薄层 -硬脆层 -精度极高 |
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缺点限制 |
-有损伤 -不同K值不可比 |
-重复性差 -组织敏感 -不同标尺不可比 |
-代表性差 -效率较低 -不宜成批生产的常规检查 |
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