硬度测试概念

硬硬度,对于大多数材料而言,特别是金属,是宝贵、准确、常用的机械测试,已以各种形式使用250多年。当然,作为一种材料性能,它的价值和重要性不容忽视。硬度测试信息可以补全,并常常与其他材料检验技术结合使用,例如拉伸或压缩测试,以提供关键的性能信息。

材料和硬度测试的重要性和价值?

考虑所提供的信息和信息在结构、航空航天、汽车、质量控制、故障分析和许多其他形式的制造行业和工业的重要性。测定材料属性可以更好地洞悉各种组件的耐久性、强度、灵活性和功能,从原材料到制成的样本和成品。

硬度试验是一种广泛应用的材料试验形式。相对容易操作,破坏性通常最少或完全没有,与其他类型的材料验证设备比较,大多仪器并不贵。此外,通常可以直接在组件上进行测试,无需做很大改变。虽然随着电子时代和电脑时代的进步,测试技术和硬件水平都显著提高,但早期的硬度测试技术仍包括简单的划痕试验。这些试验需要采用一根硬度从一端到另一端递增的棒材。测试材料的水平面会在棒材上形成一道划痕,它是试样硬度的决定因素。后续硬度测试形式包括用金刚石刮材料表面,测量所得到的线的宽度,随后,使用受力钢球测量材料的压痕。随着工业革命的蓬勃发展,制造需求日益增长,全球工业化程度不断提高,后来又经历了两次世界大战,因此迫切需要一种更精确、更有效的硬度测试法。现在人们需要进行精确高效的测试以应对重型制造业的测试需要、结构故障测试需要以及材料完整性的测试需要,来满足不断增长的全球基础设施要求。近年来硬件、电子器件和软件方面取得的重大进步带来了更为尖端的硬度测试设备,可以快速、可靠地以极高精度提供有用的设备关键信息。

压痕硬度测试的正确定义是什么?

最基本和最常用的定义是测试材料的永恒不变的塑性变形抗性。虽然其他形式的硬度测试,如回弹检测法、电磁检测法、超声波检测法通过其他技术被用于一系列应用和材料硬度测量中,压痕硬度测试仍是可靠、直接且通俗易懂的测试方法。通过将具有指定的几何形状和性能的压头加载至材料一定时间,测量形成的压痕或印记的透入深度或尺寸。随着测试的材料变得更软,压入深度或压痕尺寸标的更大。常见的硬度测试类型包括洛氏硬度(压痕深度或不可恢复压痕)、努氏/维氏硬度和不适应度(压痕面积)。洛式测试方法由于能快速生成结果,因此成为最常用的方法,一般用于金属和合金测量。努氏硬度与维氏硬度测试更适合薄材料、涂层和裱好的金相组件。一般布氏测试用于测试铸铁、大型钢结构和铝构件的硬度。在使用手持设备时,有些硬度测试能在几秒内完成。硬度测试产生的压痕可以磨除,如何很小不影响组件的性能和外观,也可以不磨除。由于测试的是零部件本身,每件产品或抽查产品可以在运送给客户之前进行测试。

这些常用的硬度计是如何运行的?

洛式硬度计根据反比关系来测量额外的压痕深度,即使用主试验力将压头压入试样表面所压出的压痕深度超过使用初试验力所压出的压痕深度的差值。开始时施加少量负载,确定零基准位置。然后在规定时间内施加并消除总试验力,保留施加的初始试验力。产生的洛氏硬度数表示施加总试验力后,与基准零位之间的压痕深度差。对于塑料制品,整个流程最多只需15秒。在罗克韦尔,可快速、直接得到测试结果,而不需要再次进行尺寸测量。最常用的压头是用于测试硬化钢和碳化物的120度金刚石锥体。较软的材料通常使用直径为1/16英寸至1/2英寸的硬质合金球测试。洛氏硬度标尺由压头和试验力的组合构成。这些组合能构成30种不同的标尺,并采用实际硬度数加字母HR和单独标尺表示。记录的HRC63硬度值指的是在洛氏硬度C标尺上显示的硬度值为63。值越高表示材料越硬,如硬化钢或碳化钨。它们的HRC硬度值超过70 HRC。可使用闭环负荷传感器或传统的砝码加载系统向洛式硬度测试设备施加测试力。

微观或宏观硬度测试,又常被称作努氏或维氏硬度测试,也是将具有规定几何外形的压头压入试样表面。与洛氏硬度测试不同,努氏或维氏硬度测试仅使用单点试验力。然后可使用大功率显微镜和准线测微计目镜测量产生的压痕或未复原的区域,也可使用图像分析软件自动测量。努氏金刚石压头会在试样表面产生一个长短对角线之比约为7:1的长菱形压痕。努氏硬度测试的测试力主要为10g到1000g,努氏硬度测试被称为微硬度或微压痕测试,最好用于小测试区或脆性材料,因为短对角线区域的材料变形最小。维氏金刚石压头会在试样表面产生深度约为对角线长度 1/7 的正四棱锥形压痕。维氏硬度测试可应用显微硬度试验力 (10 – 1000g) 和宏观硬度试验力 (1 – 100kg) 两种不同的试验力范围,以满足所有硬度测试的要求。在两种试验力范围内可使用相同的压头,因此,维氏硬度值在整个金属硬度范围内具有连续性(通常为 HV100 – HV1000)。维氏硬度测试也称宏观硬度测试,适用于测试各类材料,包括表面硬化材料和钢构件。与努氏压头相比,维氏压头不易受表面条件的影响。在两种类型的测试中,测量的区域被用于公式,公式将作用力计算在内,以确定硬度值。表格、自动电子装置或成像测量技术是测定努氏和维氏硬度数的常用便捷方法。

另一个常见的硬度试验类型是布氏硬度试验。布氏硬度试验要求使用直径5 or 10mm 的碳化钨球,在规定的时间(10 – 30 秒)内施加恒定的荷载或试验力,通常介于 62.5 和 3000Kgf 之间。需保持一定的加载时间确保金属的塑料流已停止。在特定应用中,有时会使用较低的力和直径较小的球。跟努氏和维氏测试相似,布氏测试也只使用单点测试力。移除负载后,用低功率显微镜或自动测量设备以毫米单位测量压痕。一般布氏测试用于测试铝和铜合金(使用较低的试验力)以及钢和铸铁(使用较大的试验力)。高度硬化钢或其他材料通常不用布氏法测试,但布氏硬度测试对某些材料表面测试特别有用,因压头尺寸和所受重力大,对表面条件更宽容。通常布氏硬度计被制造用来适应大尺寸零件的硬度测试要求,例如发动机铸件和大直径管。

硬度试验在材料试验、质量控制和部件验收时起到重要作用。我们依靠这些数据来验证热处理影响、结构完整性和组件质量,以确定材料是否具备指定用途要求的特性,确定测得的硬度值和所需的材料属性之间的相关性可使硬度测试在工业和研发应用中非常有帮助,并确保我们使用的日常物品的材料有助于让这个世界更加合理、高效、安全。

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