回归基础:硬度测试,第2部分

维氏硬度既可用于大部件试验,也可用于非常小载荷下微观结构的更精细测量;努氏硬度试验用于对外壳深度或微观结构相场进行非常精细的硬度测量。

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在上个月的Hot Seat文章中,我们开始讨论力学性能测试的各种方法。总的来说,我们将讨论硬度测试、拉伸测试和断裂韧性测试。在本文中,我们将继续上个月开始的硬度测试的讨论。

硬度测试可能是美国最常见的机械测试类型,也可能是世界上最常见的。硬度一词的定义很模糊,它是与测量装置有关的。上个月我们讨论了布氏硬度测试和洛氏硬度测试。这个月,我们将讨论Vickers和Knoop测试。

维氏硬度或金刚石棱锥硬度

在维氏硬度测试中,采用方形金字塔形金刚石穿孔器。金字塔的夹角是相对面的136度。该测试是通过压痕,在负载下,用穿透器,释放负载后,测量对角线的宽度。维氏硬度数或钻石棱锥硬度(DPH)计算如下:

其中P为荷载(kg),L为对角线的平均长度,且θ是相对面之间的角度(136°)。

维氏硬度试验已在世界范围内获得广泛接受,因为其载荷可以在1到120kg之间变化。它是内部一致的连续硬度标度;i、 e.由于压痕在几何上相似,因此可以将一次试验中测定的硬度值与另一次试验中测定的硬度值进行比较,该试验使用不同的载荷(非常轻的载荷除外)。其他试验要求改变载荷和压头,并且无法将获得的硬度与其他试验进行严格比较。该试验在美国尚未被广泛接受,因为其速度缓慢,需要仔细的表面处理。此外,测量对角线时存在操作员错误的机会。

有时,得到的印象不是完全一致的。这些压痕分为两类:针垫形压痕和桶形压痕(图1)。针垫形压痕是由被测金属在金字塔平面周围下沉造成的。这种情况经常发生在测试非常软或退火的金属时,结果是通过高估对角线长度获得不准确的低硬度数。桶形压痕通常是在测试高度冷加工材料时发现的,是由于压痕器周围的材料堆积造成的。这会产生低的对角线值,硬度在高的一侧出错。

图1:维氏硬度压痕缺陷[1]。

图康或努普显微硬度测试

Tukon或Knoop显微硬度试验(ASTM E384[2])由国家标准局于1939年[3]开发,作为测量非常小的组成相、偏析效应和硬脆材料硬度的方法(图2)。适当选择载荷后,压痕深度不会超过1mm。努氏穿甲弹是一个棱锥状菱形,切割成具有130°的横向夹角和170°30'的纵向横向夹角。由此产生的压痕为菱形,长对角线约为横向对角线长度的七倍,如图3所示。将制备好的金相试样放在显微镜台上进行试验,并借助金相显微镜确定压痕的所需位置。定位后,压头台位于所需区域上方,并启动测试仪。试样通过提升螺钉自动向上移动,直到接触压头。施加预载约20秒,然后逐渐施加选定的主要载荷,在约20秒内达到最大载荷。

图2:多相材料的努普硬度测量。不同的长度可以直观地表示相之间的相对硬度。
图3:Knoop压头[1]的原理图。

卸载荷载,试件降低。操作者移动显微镜观察印模,测量印模的长对角线。努普压痕的纵向对角线是用显微硬度计的一部分——丝状目镜测量的。这种目镜有一个固定的微米刻度,有一个可移动的垂直发际线。千分尺螺丝分为100个分区,每个分区对应0.01mm的横向移动。运动保持在一个方向上,以消除由于千分尺齿轮传动的间隙而产生的任何误差。

使用丝状目镜测量长对角线,并计算努氏硬度值(KHN):

式中P为施加荷载,l为长对角线长度(mm)。由于显微硬度计留下的印象非常小,因此被测表面必须采用金相法进行处理,并且不能有任何表面划痕或其他有害缺陷。表面可以蚀刻,也可以不蚀刻。使试样垂直于穿透器是非常重要的。如果印模是不平衡的,长对角线的测量将是不准确的,因为不对称的弹性恢复。样品必须被移走,测量和定位正确,这样才能进行精确的测量。

结论

在文章的第二部分中,我们讨论了各种硬度测试方法,并讨论了剩下的两种常见硬度测试。维氏硬度在全世界范围内广泛使用,用于大部件试验以及非常小载荷下微观结构的更精细测量。最后,努氏硬度试验用于对表层深度或微观结构相场进行非常精细的硬度测量。

如果您对此有任何问题或评论,或对后续文章有任何建议,请联系编辑或我本人。 

工具书类

  1. G.L.凯尔,《金相学实验室实践原理》,纽约:麦格劳·希尔,1949年。
  2. ASTM国际,“ASTM E384-17材料显微压痕硬度标准试验方法”,ASTM国际,宾夕法尼亚州西康舍霍肯,2017年。
  3. F.C.Knoop、C.G.Peters和W.B.Emerson,“用于压痕测量的灵敏棱锥金刚石工具”,J.Res.Natl。伯尔。《展台》,第23卷,第1期,第39-61页,1939年。