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2019-04-26 17:14

常用硬度测试方法介绍(下篇-维氏、努氏硬度)

来源:     作者:    浏览:179

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。


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。


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。

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 ºβ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。

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


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

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:

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

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

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

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

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

8. VH1102VH1202维氏和努氏硬度计

 

VH 1102VH 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10X50X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5X10X50X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

2. VH1102VH1202维氏和努氏硬度计基本参数


VH 1102

VH 1202

硬度标尺

维氏和努氏

主力

10gf - 1kgf (2kgf 可选)

试验力控制类型

电机驱动砝码

垂直测试高度

4.1in [130mm] / 带有XY试台 3.7in  [95mm]

水平测试宽度

5.1in [130mm]

物镜

10x and 50x 常规

5x, 10x and  50x

长工作距离

总放大率

100x, 500x

50x, 100x,  500x

压头

1个压头位

维氏或努氏

2个压头位

维氏和努氏

数据输出

USBRS232

用户界面

多语言4.7in LCD触摸屏

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)

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

符合标准

ISO 6507, ASTM E384

电源

100 - 240VAC, 60/50Hz

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

9. VH3100VH3300维氏和努氏硬度计

 

VH 3100VH3300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

3. VH3100VH3300维氏和努氏硬度计基本参数


VH3100

VH3300

标尺

HV, HK, HB

HV, HK, HB

压头

1位(可选配快速更换型)

3位(可选)

转塔

自动,3+全景相机位

自动,6位,含全景相机位

测试载荷

50gf-10kgf

10gf-1kgf

100gf-10kgf

5kgf-50kgf

测试载荷精度

±1.5% < 200g, ±1% > 200g物镜

加载方式

闭环传感器

放大范围

30X - 2000X 带数字变焦

光源

LED

湿度

10 - 90% non-condensing 不凝结

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


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。

 

4. 常用的硬度测试方法的比较


布氏硬度

洛氏硬度

维氏硬度

显微维氏硬度

努氏硬度

缩写

HB

HR

HV

HV

HK

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

压痕形状

圆形

圆形

方形

方形

菱形

载荷大小

很大

较大

一般

很小~10g

极小~g

测量材料

普通金属

软硬材料

薄层镀层

极薄层

精度重复性

一般

较差

较好

较好

很好

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

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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