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有用性如何?考虑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。多年来,市场不断开发出确定材料硬度的各类方法并取得了不同程度的成功。从早期的划痕测试到复杂的自动化成像,硬度测试已发展成为有效、准确、宝贵的材料测试方法。

尽管测试技术和硬件已大幅改善,特别是在最近几年,电子设备、计算机、硬件和编程能力迅速发展,但初期的、基本形式的硬度测试方法,例如简单的划痕试验,仍可满足相关时代的需要。最早的棒材划痕试验可以追溯到1722年。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。后来,1822年,引入了硬度测试形式,包括用金刚石刮材料表面,测量所得到的线的宽度,测试最终被称为莫氏硬度。在某些过程中,这种方法今天仍然在使用。莫氏硬度包含10种矿物质,按最大硬度10(金刚石)到最小硬度1(滑石)的顺序依次排列。每种矿物均可划割低于其硬度等级的矿物。莫氏硬度不是线性数值;与1和2之间的硬度差别相比,9和 10之间的硬度差别更为显著。要正确理解莫氏硬度,可参考形象的实例,如硬化工具钢的莫氏硬度大约是7或8。在接下来的75年中,市场推出了其他更精密版的刮痕测试方案,包括集成显微镜、载物台以及可应用于重达3克样品的金刚石检测装置。先在不同的试验力下划擦需要测试的材料,然后与一组数值已知的标准划痕进行对比。该系统的一个更专业的版本采用一个镶嵌在锥形弹簧钢末端的金刚石。钢簧的另一端连接装有3克砝码的平衡臂。使用手轮和蜗轮系统移动要测试的材料,系统的顶部是载物台和固定材料的夹具。在材料施加一个固定的压力将产生一个“切口”。然后用显微镜的filar 微米目镜测量该切口。试验过程所特有的数学公式用于计算硬度。

后来,压痕硬度试验被推出。这是大约在1895年开发的早期硬度试验形式,依靠负载在材料商压出一个凹口直径3.5mm的压痕。使用游标尺系统测量深度,且达到3.5 mm所需的总负载被称为硬度。硬度计压头包括一个截头锥,锥体从顶部5mm到底部1.25mm 逐渐变细。这种测试法非常适合测试柔软材料的硬度。压痕试验的另一种早期形式指的是将同一试验材料的直角结构相互挤压,并测量宽度。20世纪初,由这种测试技术进一步演化出多种测试法,它们同样要求使用圆柱形测试材料,沿纵轴以直角方式互相挤压,以形成“双面”压痕。

第一个广泛接受和标准化的压痕硬度试验方法由J.A. Brinell 在1900年提出。布里涅耳对材料科学的兴趣在他就职于多家瑞典钢铁公司期间逐渐增强。而且他希望有找到一个一致的和快速的确定材料硬度的方法。布氏硬度测试法至今仍在广泛使用,它要求施加最大 3000kg的试验力,将直径1–10mm 的钢球(目前多采用碳化钨球)压入金属表面。在取消试验力后,使用小功率显微镜测量产生的压痕和压痕直径。先求出直角压痕直径的两个读数的平均值,再使用数学公式计算硬度值。布氏硬度测试推动了压痕硬度测试的发展,并为其他与材料类型更相关的压痕测试开辟了新路。

与布氏硬度试验仪一同发展为有用的硬度试验工具,肖氏硬度试验仪是首批无压痕硬度试验仪器的其中之一。Albert F. Shore是Shore Instrument制造公司的创始人发,肖氏硬度测试就是以他的名字命名。他设计的肖氏硬度计是可作为当下硬度测试设备的替代方案。肖氏硬度测试采用一个固定在玻璃头测筒内的带有金刚石尖端的“撞锤”,任其从10英寸的高度掉落到试样表面。利用肖氏硬度计的硬度标尺测量撞锤的回跳高度,每个标尺分为100个刻度,利用它能与硬化高碳钢产生的回跳高度进行对比。硬度读数也是材料弹性的一个技术衡量指标。肖氏硬度计的一大显著优势就是其“无损”特性,不同于当时其他可用的硬度测试方法,肖氏硬度计仅会在测试材料上留下很小的印记,几乎在评估完后都可以使用。

经过20世纪的两次世界大战,与战后工业革命的崛起,制造要求的增加和全球工业化使制造商们迫切需要更精炼和高效的试验方法,并开始开发新技术。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。

作为布氏硬度计的替代方案,维氏硬度计由Smith和Sandland先生于1924年在Vickers Ltd.-一家英国大型工程企业集团中开发。这种测试法能克服布氏硬度测试的材料限制,从而能有效满足对更精确的测试技术的迫切需求。维氏硬度测试采用了与布氏硬度测试相同的原理,即通过控制试样表面的压痕计算硬度,但它采用了四棱锥形的金刚石压头,而不是布氏球形压头。这能确保硬度测试的结果更一致、用途更广泛。后来,1939年, Fredrick Knoop在美国国家标准局引入了一个替代维氏硬度测试的测试。努氏硬度测试采用的四棱锥形压头能产生更浅的长菱形压痕,与维氏硬度测试相比,它适合在更小的试验力下进行,因此能确保更准确地测试易碎材料或薄材的硬度。维氏和努氏硬度测试均是今天受欢迎的硬度分析方法。

尽管在1908年,Paul Ludwik,一位越南的教授认为这是一个好想法,但罗克韦尔压痕测试法并没有获得商业价值。直到大约1914年,就职于美国康乃迪克州布里斯托尔市的一家制造公司的Stanley和Hugh Rockwell两兄弟利用基于位移的锥形金刚石压痕测试将该想法进一步拓展。他们还设计了Rockwell测试仪并申请了专利。该硬度计的主要标准是为确定热处理对钢轴承座圈的作用提供快速测定方法。洛氏硬度检测法的一大强项便是操作只需要很小的压痕区域。使用也更容易,因为可直接读数,而不需要计算或二次测量。该专利于1919年2月11日获批,后来又在1924年获批了一个改进版设计专利。与此同时,Stanley Rockwell联手康涅狄格州哈特福德市的仪器制造商Charles H. 威尔逊开始洛式硬度计的商业化生产。公司成长为威尔逊机械仪器公司,并发展成洛式硬度计的优质生产商。经历1900s后期的一些所有权变更后,Wislson在1993年被Instron-一家材料测试行业的全球领先制造商收购。现在成为Instron/Illinois Tool Works不可分割的一部分。结合了英斯特朗/威尔逊专业技术的威尔逊硬度计,加上后续收购的沃伯特硬度计和Reicherter硬度计,共同打造出尖端硬度计系统的工程和生产架构。洛氏硬度测试仍是最有效、最广为使用的硬度测试类型之一。

硬度试验技术在20世纪中到后期仍是相当一致的,大多数试验系统通常使用自重来施加试验力。虽然静载荷方法比较简单,而且得到广泛认可,但它有时会产生歧义。劳动密集型生产,加上高机械系统的复杂性取决于杠杆、枢轴、导杆,从而需要进一步开发,很明显,新开发的用于测量仪器的其他形式的调节力也适用于硬度测试。随着对提高生产率的需求不断增长,精度、用户功能、确保可重复性的闭环技术和称重传感器技术已成为硬度测试的重要标准。20世纪50年代,马萨诸塞州的英斯特朗公司率先在拉伸测试仪上使用了闭环系统。闭环系统与开环(自重)系统的不同之处在于他们可以以电子方式测量每次测试过程中施加的试验力并将测得的信息反馈到控制系统。控制系统的设计旨在使用反馈以极高的准确率调整施力机构施加目标力量。这些系统性能优异,因此目前所有的电子拉伸/压缩试验仪器都采用专用闭环控制系统。随着Instron与威尔逊的强强联手,它们将闭环控制技术与硬度计完美结合,因而使硬度计产品具备了此前从未实现的可重复性。20世纪90年代初,这项技术首次应用于罗克韦尔测试仪、后来用于努普显微压痕硬度试验仪/维氏硬度计以及布氏系统。闭环可以迅速获得动力,以此来获得相当精确和可重复的硬度测试结果。这一技术目前已被广泛采用。

现在,随着近年来硬度测试仪器、计算机硬件、电子产品、成像算法和软件功能的显著改善,我们能够实现极其精确和可靠的测试流程,可以比以往任何时候都迅速的获得测试结果,并且测试通常是自动完成的。事实证明,这些组件和技术能将硬度计的效率、速度和精度提高到前所未有的水平。从过去几年的趋势可以预见未来将毫无疑问有更多传统手工检测方法在各个方面都将继续快速地被自动化手段取代。材料的制备及处理、镶嵌夹具、载物台移动、结果解释、分析,甚至报告领域的新技术已引入硬度测试行业。有越来越多的自动化技术通过使用载物台遍历、努氏、维氏图像分析和布氏压痕集成到多种硬度系统。一个自动硬度试验系统通常采用一台完全可控的测试仪。该测试仪包含一个自动转台或转塔以及Z轴上的执行机构。Z轴上的执行机构包括磨头/压头外壳或主轴驱动系统,用于以预定的试验力压痕以及对试样进行对焦。增加一台镶嵌了专业硬度测试软件的台式或笔记本电脑、一个自动XY电动平台和一个USB连接的摄像机来组成一个功能强大的、全自动的硬度测试系统。此类系统可不受压痕横移次数的限制,自动创建、测量和报告,而无需操作员干预。这种最新技术有效避免了过去硬件导致的操作困难和工作区凌乱。

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,这些年来,通过优化传统测试技术来开发生产率更高和更有效的测试方法已经被新型的尖端方法所取代,后者能够以前所未有的效率执行并解释硬度测试。这样,我们就能放手“让仪器自己工作”并信赖测试结果,以不断提高系统的处理能力和测试的一致性,同时让硬度测试技术在工业和科研领域发挥更重要的作用,并确保我们的日常用品中采用的材料不仅设计精妙、实用高效,而且安全可靠。