显微维氏硬度检测

维氏硬度计显微硬度计 硬度测试硬度测试能成为力学性能试验中常用的方法，是因为硬度检测的结果在一定条件下能敏感地反映出材料在化学成分、组织结构和处理工艺上的差异。这种方法在检查原材料、监督热处理工艺正确性以及在研究固态相变过程和研究新材料、新合金中被广泛地加以利用。在常用的硬度计（洛氏、布氏、维氏、努氏，布洛维一体机)中，本篇说说维氏硬度计（包括宏观维氏硬度计、显微维氏硬度计和努氏硬度计）。维氏硬度测试维氏硬度检测是在使用布氏和洛氏检测法的基础上发展起来的。维氏法从压头设计和压头材料的选择上进行了改进。维氏硬度检测法是1924 年由史密斯(R.LSmith)和桑德兰德(G.E.Sandlnd)合作首先提出的。后来由英国维克斯-阿姆斯特朗(Vickers-Armstrongs)公司于1925年制造出这种硬度计. 因而习惯称为维氏（Vickers)硬度检测方法。✦维氏硬度检测原理✦维氏硬度检测法是用面角为136°的正四棱锥体金刚石压头,在一定的检测力作用下压入试样表面，保持规定时间后,卸除检测力,测量试样表面压痕对角线长度。并据此计算出维氏硬度值。✦维氏硬度表示方法✦维氏硬度计用HV表示，HV前面的数值为硬度值，后面为试验力值。标准的试验保持时间为10～15s。但对于有色金属则不能小于30s，如果选用的时间超出这一范围，在力值后面还要注上保持时间。例如：300HV30—表示采用294.2N（30kg）的试验力，保持时间10～15s时得到的硬度值为300。450HV30/30—表示采用294.2N（30kg）的试验力，保持时间30s时得到的硬度值为450。✦维氏硬度检测标准✦GB/T 4340DIN EN ISO 6507 ASTM E-92ASTM E-384✦维氏硬度检测特点和应用✦维氏硬度计试验测量范围宽广，从很软的材料（几个维氏硬度单位）到很硬的材料（3000个维氏硬度单位）都可测量。维氏硬度试验方法除特别小和薄试验层的样品外,测量范围可覆盖所有金属。适用范围：热处理、碳化、淬火硬化层，表面覆层，钢，有色金属和微小及薄形零件等。配备努氏压头后能测玻璃、陶瓷、玛瑙、人造宝石等较脆而又硬的材料的努氏硬度。✦按力值分类✦显微维氏硬度计：10gf-2kgf小负荷维氏硬度计：200gf-5kgf维氏硬度计：大于5kgfHVINNOVATEST荷兰轶诺维氏硬度计INNOVATEST荷兰轶诺维氏硬度计均采用特有的闭环力传感器力反馈系统。能够满足不同客户对测试设备的各层次需求。不论是新购仪器还是已经使用多年的老仪器，均可进行更新和升级。对于手动/电动工作台、摄像系统、工作台全景摄像头、光学元器件及软件等附件，既可一次性选择全部配置也可后续升级更新。✦荷兰轶诺维氏硬度计✦FALCON 5000G2 FALCON 5000 FALCON 600G2 FALCON 600 FALCON 500G2 FALCON 500

硬度表示材料抵抗硬物体压入其表面的能力， 是衡量材料性能的重要指标之一。对于被检测的材料而言,硬度代表着在一定的压头和力的作用下所反映出的弹性、塑性、塑性形变强化率、强度、韧性以及抗摩擦性能等一系列不同物理量的综合性能指标。测试硬度的仪器称为硬度计，或者硬度试验机。 常用的硬度计有洛氏硬度计、布氏硬度计、维氏硬度计、努氏硬度计，以及布洛维一体机(很多行业客户称万能硬度计)。布氏洛氏维氏努氏本文介绍布氏硬度测试布氏硬度测量方法由于压痕大、测量结果较准确，是金属硬度检测中应用最广泛的检测方法之一。布氏硬度检测方法布式硬度测试是现今常用的硬度测试法中最古老的方法，此测试方法于1900年由瑞典工程师Johan August Brinell提出，这种方法使用最早。由于其压印痕较大,因而硬度值受试样组织显微偏析及成分不均匀的影响轻微,检测结果分散度小,复现性好,能比较客观地反映出材料的客观硬度。布氏硬度检测原理以一定的试验力将一定直径的压头垂直地压入试样表面，将试验力保持一段时间，然后卸载。测量两条相互垂直的压痕直径，然后由压痕直径的平均值以及运用特定的计算公式或基于此公式得出的图表来算出布氏硬度值。布氏硬度检测表示方法布氏硬度测试条件具有大约25种不同的试验力/球压头的组合，对于几乎所有的金属，仅需球压头尺寸与试验力，即可对其进行布氏硬度测试。只要球压头尺寸与试验力的比值保持不变，理论上布氏测量结果保持一致。通常布氏硬度测试结果在工业中广泛地用作商业运输验收依据和质量控制。测试结果可能与金属本身的特性相关，如：延展性，拉伸强度和耐磨性等。布氏硬度的表示方法， 例如：180HBS10/1000/30表示用直径10mm的钢球，在1000 kgf的试验载荷作用下，保持30s时测得的布氏硬度值为180。520HBW5/750表示用直径5 mm的硬质合金球，在750kgf的试验载荷作用下，保持10~15s时测得的布氏硬度值为520。布氏硬度检测标准ISO 6506GB/T 231ASTM E10JIS Z 2243布氏硬度检测特点布氏硬度试验是所有硬度试验中压痕最大的一种试验方法，由于布氏硬度检测采用的压力大,压头球径大,压痕直径大,不受试样组织显微偏析及成分不均匀的影响，能反映出材料的综合性能。适合大晶粒、组织不均匀的材料，如锻钢、铸铁、各种退火、调质处理后的钢材、有色金属及其合金等，尤其适合较软的金属,如铝、铜、铅、锡、锌等及其合金。当然， 采用小直径球压头可以测量小尺寸和较薄材料。布主要用于铸铁、钢材、有色金属及软合金等材料的硬度测定，常用在冶金、锻造、电力、石油机械、轨道车辆、汽车、军工装备、实验室、大专院校和科研等领域。

可以利用维氏硬度压痕裂纹计算材料的断裂韧度，尤其适合表征硬脆材料的断裂性能。学者提出了很多半经验半定量的关系式。裂纹主要有巴氏（Palmqvist或径向）和中位（Median）裂纹两种形式，有些公式适用于特定的裂纹形式，有些公式对两种（Both）裂纹形式都适用。微米硬度实验设备简单，测试方便，分析直接，不仅在工程实践中有广泛应用，也是评估材料断裂韧度的有效工具。断裂韧度作为衡量材料抵抗裂纹扩展能力的力学性能指标通常用临界应力强度因子KⅠC表示，单位为MPam0.5。字母K为应力场强度因子，反映的是裂纹尖端区域应力场强弱；字母C指的是裂纹扩展的临界情况；下标罗马数字Ⅰ是指裂纹扩展形式为张开型，脆性材料的裂纹扩展类型为Ⅰ型。测量材料KⅠC的方法主要有：山形切口梁法(C. N. B)、单边预裂梁法(S. E. P. B)、表面弯曲裂纹法(S. C. F)、单边切口梁法(S. E. N. B)、单边V形切口梁法(S. E. V. N. B)、短V形切口杆法(S. R)、双扭法(D. T)、双悬臂梁法(D. C. B)、微米划痕法、纳米压痕法和维氏压痕法等。S. R、D. C. B和S. E. P. B法的测试试样难生产、成本高，难以广泛使用；S. E. N. B、S. E. V. N. B和C. N. B法加工试样缺口较困难；D. T法试件的几何尺寸会对测量值产生影响；S. C. F法必须要去除足够深度的表面层来消除残余应力场，才能保证KⅠC不被高估；微米划痕法需要考虑压头的磨损以确保测试结果的准确性；而压痕法具有制备试样简单、测试效率高、以及综合成本低等优点，已被广泛应用于表征陶瓷材料、硬质合金和玻璃材料的断裂韧度。虽然基于Griffith-Irwin平衡断裂力学的压痕法可以反映材料断裂的特征，有效表征材料的断裂韧度，但是使用压痕法确定KⅠC仍然存在不足，依然有争论，比如：诸多半经验半定量的公式在实际应用中受到裂纹模式(径向，中位，横向等)多样复杂的影响，计算的KⅠC结果不可靠；不适用于低泊松比的材料。如何根据不同的材料、不同的压头选择适合的公式和载荷，是当前利用压痕裂纹法表征材料断裂韧度亟需解决的问题。各种依据维氏硬度压痕裂纹长度计算断裂韧度的表达式列于表1，对于不同的裂纹模式有不同的表达式。裂纹主要有两种类型，见图1：一种是基于半椭圆型的中位裂纹(Median crack)；另一种是基于半月状的巴氏裂纹(Palmqvist crack)或径向裂纹(Radial crack)。可以基于曲线拟合的方法得到同时适用于两种(Both)裂纹模式的表达式。典型硬脆材料的压痕裂纹见图2，需要测量压痕的接触半径a和裂纹长度c，可以计算得到l=c-a。维氏硬度HV可以由载荷F除以残余压痕面积AV得到：式中，AV考虑了压痕的倾斜表面(sin68°可以由压头形状获得)，而不是压痕的投影面积；d (= 2a) 是压痕两个对角线长度的平均值；当F和d的单位分别是mN和μm时，维氏硬度的单位是GPa。值得注意的是工程上使用的维氏硬度没有单位，而且相关标准里面也没有单位，这不利于各种测试方法的比较，无法有效服务于科学研究。可见，即使维氏硬度如此基础、简单、成熟，仍然有待进一步发展。由于仪器化压入的兴起，压入硬度HIT是根据投影面积定义，并且努氏硬度HK也是根据投影面积计算，传统的维氏硬度HV可以通过投影面积转换成梅氏硬度(Meyer hardness)HMV(=2F/d2), 便于各种硬度之间的比较。表1中的维氏硬度HV也可以转换成HMV。表 1 利用维氏硬度HV计算材料的断裂韧度Kc[1]注: ϕ = 3, β2 = 0.059[15], Φ = -1.59-0.34ξ-2.02ξ2+11.23ξ3-24.97ξ4+16.32ξ5, ξ = lg(c/a). E是材料的弹性模量. Hv可以在每个载荷下多次测量取平均值，作为某一载荷下的Hv.图 1 维氏硬度压痕裂纹模式示意图图 2 典型硬脆材料的维氏硬度压痕裂纹[1, 15, 16]作者简介刘明，福州大学机械工程及自动化学院教授，全国钢标准化技术委员会力学及工艺性能试验方法分技术委员会金属材料微试样力学性能试验方法工作组（SAC/TC183/SC4/WG1）委员，ISO 14577系列国际标准制修订国内工作组成员。1985年出生于哈尔滨市，哈尔滨工业大学材料科学与工程学院本科、硕士，2012年12月获肯塔基大学（美国）材料科学与工程专业博士学位，法国巴黎高科矿业工程师学校材料研究所博士后，华盛顿州立大学（美国）博士后。2015年4月入职福州大学机械工程及自动化学院机械设计系力学教研室，获评福建省闽江学者特聘教授、福州大学旗山学者海外人才、福建省高层次境外引进C类人才，主要研究领域为微观力学及仪器化压入划入测试方法。作者邮箱：mingliu@fzu.edu.cn QQ：290716672 微信：hasanzhong参考文献[1] M. Liu, D. Hou, Y. Wang, G. Lakshminarayana, Micromechanical properties of Dy3+ ion-doped (Lu Y1-x)3Al5O12 (x = 0, 1/3, 1/2) single crystals by indentation and scratch tests, Ceramics International, 49 (2023) 4482-4504.[2] K. Niihara, A fracture mechanics analysis of indentation-induced Palmqvist crack in ceramics, J. Mater. Sci. Lett., 2 (1983) 221-223.[3] Z. Laiqi, H. Yongan, H. Lei, L. Jun-pin, Determination of empirical equation of fracture toughness for Mo5SiB2 alloy by indentation method, Trans. Mater. Heat Treat., 38 (2017) 178-183.[4] M. Laugier, New formula for indentation toughness in ceramics, J. Mater. Sci. Lett., 6 (1987) 355-356.[5] D. Shetty, I. Wright, P. Mincer, A. Clauer, Indentation fracture of WC-Co cermets, J. Mater. Sci., 20 (1985) 1873-1882.[6] B.R. Lawn, M. Swain, Microfracture beneath point indentations in brittle solids, J. Mater. Sci., 10 (1975) 113-122.[7] K. Tanaka, Elastic/plastic indentation hardness and indentation fracture toughness: the inclusion core model, J. Mater. Sci., 22 (1987) 1501-1508.[8] B.R. Lawn, E.R. Fuller, Equilibrium penny-like cracks in indentation fracture, J. Mater. Sci., 10 (1975) 2016-2024.[9] A.G. EVans, E.A. Charles, Fracture toughness determinations by indentation, J. Am. Ceram. Soc., 59 (1976) 371-372.[10] K. Niihara, R. Morena, D. Hasselman, Evaluation of KIc of brittle solids by the indentation method with low crack-to-indent ratios, J. Mater. Sci. Lett., 1 (1982) 13-16.[11] G. Anstis, P. Chantikul, B.R. Lawn, D. Marshall, A critical evaluation of indentation techniques for measuring fracture toughness: I, direct crack measurements, J. Am. Ceram. Soc., 64 (1981) 533-538.[12] C. Terzioglu, Investigation of some physical properties of Gd added Bi-2223 superconductors, J. Alloys Compd., 509 (2011) 87-93.[13] J. Lankford, Indentation microfracture in the Palmqvist crack regime: implications for fracture toughness evaluation by the indentation method, J. Mater. Sci. Lett., 1 (1982) 493-495.[14] J.E. Blendell, The origins of internal stresses in polycrystalline Al2O3 and their effects on mechanical properties, Massachusetts Institute of Technology, 1979, pp. 1-47.[15] M. Liu, Z. Xu, R. Fu, Micromechanical and microstructure characterization of BaO-Sm2O3–5TiO2 ceramic with addition of Al2O3, Ceramics International, 48 (2022) 992-1005.[16] 刘明, 侯冬杨, 高诚辉, 利用维氏和玻氏压头表征半导体材料断裂韧性, 力学学报, 53 (2021) 413-423.