硬度测试是分析组件性能的一个基本特征,而且,作为一种重要的材料测试工具,这一关键参数可以通过多种方法和技术进行实施和测量。虽然有些硬度测试法(如洛氏硬度测试)可根据压痕深度,通过一步操作快速提供测试结果,许多常用的测试法(如维氏、努氏和布氏硬度测试法)仍需通过第二步操作来测定压痕的尺寸。第二步操作不仅费时、低效,而且极易出错。在不影响过程一致性的条件下提升生产效率的方法之一便是利用图像分析进行自动压痕读取。在过去的几年里、硬件、电子、图像算法和软件功能的显着改善为 极精确、可靠的测试过程打开了大门,得出结果的速度远胜任何时代。这些技术显示出将效率、速度和精度提高到前所未有之水平的潜力。
 

自动硬度试验

最常用的两个硬度试样设备是努氏和维氏硬度计。它们用于微观和宏观测试,根据施加一个特定的试验力后测到的金刚石形状压痕的尺寸来确定材料的硬度。根据测试的特点,通常需要施加较小的试验力,因此会产生极微小的压痕,以致必须进行显微硬度测量。目前仍在广泛使用的传统方法要求使用可调节物镜分辨率的显微镜,并根据人工解读利用目镜手动测量。可想而知,这不仅耗时而且低效,在今天快节奏、极端环境条件下,越来越不为人所接受。一个技术员在一天内操作并目测数以百计的凹痕很正常,随着凹痕量增加,疲劳可能影响测量过程。加之,生成完全分析的硬度测试单位的需要(由超过15个压痕组成,通常是单个试样的15倍)以及灌输当前先进的工艺技术的愿望变得显而易见。

在过去数年中以及在未来数年,手动测试流程已经并将持续在每个方面快速让位于自动流程。材料制备、载物台移动、结果解释和分析、甚至报告领域正在开发新技术。全世界众多实验室都应用的该等技术便是载物台自动横向移动以及努氏、维氏和布氏压痕图像分析。

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。增加一台安装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。首次设置好试样和存储程序后,该系统可以自动压制、测量和报告几乎无限量的横向压痕。

更新的技术省去了大多数的硬件。在过去,这些硬件产生很多操作难题,并导致工作环境杂乱不堪。例如通过虚拟操纵杆可移动装载台,在一些系统上,已将装载台控制器集成至装载台外壳。先进的平台移动算法和机械设计实现比以往任何时候都更高的XY运动精度和可重复性, 这在精密横向移动上至关重要,比如表面深度分析。
 

图像分析

图像分析并不陌生,但其技术一直在进步,大幅改善了分析流程。例如,摄像技术已有了很大发展,从抓帧器、IEEE Firewire到USB,不必使用其他硬件,同时提高了相机分辨率,可现场查看。目前先进的相机技术、电脑高速的处理能力,以及不断升级的软件包,大大提高了自动硬度测试系统的精度、重复性和可靠性。所有数码相机具有像素阵列。每个像素可开可关。如果将黑白图像投影到像素阵列上,黑暗区域的像素将关闭,亮的像素将打开。通过清点图像上黑点的数量可以确定他们的尺寸,然后计算出图像面积。需要使用压痕尺寸、压头大小和施加的试验力测定硬度值。
 

自动转向

进一步扩大生产率意味着可以使用更大尺寸的XY平台。大尺寸的平台可以同时以不同的形式夹持2个、4个、甚至6个试样。预编程和保存横移已打开且样品已对齐夹具,此外,只需单击一下,便可启动每个样品上的压痕和横移量读取和报告。自动对焦可减少由Z轴变化导致的任何压痕模糊问题。新的软件甚至还可在横移内部和之间设置不同的硬度、力和显微镜目标。

自动化试验方案对洛氏硬度试验越来越有利。特别是在重复模式要求情况下,例如顶端淬火试验,该试验方案可以完全试验和报告许多钢筋的硬度。此外,该方案可以实现无人操作,只需轻点下鼠标即可自动完成所有试验。
 

其他应用

与努氏和维氏硬度测试一样,布氏硬度测试本质上是一个劳动密集和手动的过程。这在常规状态下需要持续的人员干预和处理。由于传统布氏测试包含规定直径硬质合金球制成的受控单点测试力,因此,必须对得到的压印进行光学测量(直径单位:mm)才能确定材料硬度。这通常使用低功率手持式显微镜来操作,不仅费时而且主观性太强。在努氏/维氏硬度测试中,材料疲劳重复引起的测量错误是常见现象,并且过程本身效率低且耗时。随着众多工艺要求根据快速结果返回进行100%检验和提升生产率,既能加速流程又能免除可能的人为操作失误的方法便自然受到大家的欢迎。最适合的方法取决于多种因素,包括:测试时间要求、试样几何结构、装卸载技术、材料属性、ASTM标准要求和遵从以及预算匹配性。

传统的地板式或平台式布氏硬度计只能进行部分的压痕试验。使用该硬度计时,可使用一个手持式的数码相机替代手动操作。该数码相机可自动进行图像分析,从而能够精确高效地测量压痕的尺寸。因此,通过相机可以相对容易的测量布氏硬度压痕。如果生产缺少需要人工干预的手持成像系统,那么全自动光学布氏系统在进行全自动光学测试时可附于ASTM E-10。

一个完全集成的光学布氏硬度试验系统能够迅速精确地完成符合ASTM E10标准的整个布氏硬度试验过程,包括精确的压痕应用,并提供一个图像分析系统来自动聚焦、确定和记录凹口直径和硬度测量值。所有这些,外加灵活的个性化软件,提供操作者更丰富的功能,以进行测试、完成分析和生成报告。只需一个操作员既可以完成试样地位和按下硬度计的启动开关。当旋转器或转台式系统把测量目标/显微镜旋转到位时,自动形成压痕。随后开始自动对焦和成像过程,测试结果会在20秒内返回。

过去有关表面光洁度、照明、预设校准以及像素大小的限制已被减轻,并持续改善。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,还能让操作员放手去完成其他的工作。采用完全集成的自动测试系统,不仅能取消劳动密集、过于主观和极易出错的测试过程,而且能以更准确、更高效的测试过程取而代之。