硬度测试中试样制备的难点问题及解决方案
硬度测试和样品制备 2. 制备困难问题 1：在制备过程中很难获得平坦的平行表面，参见图 1。例如，对于维氏测试方法（参见第 5 页第 3 部分的描述），各测量对角线值的偏差不应超过5%。同时压头应垂直于试验表面，偏差角度不应超过2o，这样才能获得可靠的结果。 b) 图1：示意图： a) 表面不平整的样品； b) 具有平坦且平行表面的样品。解决方案1：最好的方法是用夹具固定样品，使压头可以垂直压入样品表面，见图2。如果在机械制备过程中不需要夹具并且想要平坦、平行的表面，参见图 1b。您可以使用样品架 MAXSO，其一端具有平坦表面，见图 3；双面胶带用于将样品固定在该装置中，使其尽可能平坦和平行。使用 MAXSO 时，将样品切割至大致相同的高度非常重要。当使用图 3 的 MAXCY 时，最终样品表面的平整度和平行度很大程度上取决于操作员如何使用样品架固定样品。 2a) 图2：硬度测试时用于夹紧试样的夹具：a) 直径； b) 直径。 MAXSO 图3：MAXCY 样品夹具支架 问题2：如果样品表面太粗糙，则很难识别压痕角。在使用自动硬度试验机时这个问题尤为突出。需要光滑的反光表面。当然，表面处理对被测材料性能的影响也应最小化。所需的表面处理取决于测试类型和施加的载荷。显微硬度（载荷小于1kgf）需要更光滑的表面。洛氏方法对压痕深度更敏感，但不需要非常高的表面处理。由于该方法不需要对压痕的几何形状进行光学测量，因此不需要表面处理步骤或抛光表面来满足要求。 。如果试样表面太粗糙，在使用自动硬度计时，制备时造成的划痕可能会影响压痕尺寸的读数。注意：较软的材料更容易受到制备工件的影响，因为相对于硬材料，相同量的磨料会产生相同量的磨料。 0.5%碳钢。这里，碳钢中 17% 的压痕没有被考虑，主要是由于表面粗糙度。在淬硬钢中不会发生此类问题。造成更大的变形/划痕，见图4。 解决方案2：应使用抛光表面。图 5 显示了使用 MD-Plus 抛光布和金刚石悬浮液 (3μm) 最终抛光后的表面。 a) 图5：光滑表面上的维氏压痕（MD-Plus/，3 μm）； a) 淬硬工具钢； b) 0.5% 碳钢。 b) 3、原理说明 对于硬度压痕测试，压痕大小是通过光学元件来识别的。维氏、布氏和努氏硬度测试方法基于将施加的载荷除以接触面积（努氏方法除以投影面积）。
硬度测试可以手动进行。这时候就必须要用到表格了。表中测量的对角线/直径的平均值已换算成硬度值；硬度值也可以通过公式计算出来。在自动硬度测试机中，硬度值是自动导出的。根据加载载荷范围的不同，压痕硬度测试可分为宏观（也称通用）硬度测试和显微硬度测试。宏观硬度测试中施加的载荷应至少为1kgf（9.81N），而显微硬度测试中施加的载荷可以从1gf到1kgf不等。表面状况的要求取决于测试类型和施加的载荷。对于宏观硬度测试，铣削或磨削表面就足够了，有时无需任何样品制备。但对于显微硬度测试，需要抛光表面。对于非常小的载荷，表1：不同硬度压痕测试方法的表面要求。 3、表面甚至可能需要氧化抛光或电解抛光。如果压痕相对于表面的粗糙部分要大得多，则表面的粗糙度对压痕尺寸的影响很小。重要的是表面准备过程不应改变材料性能，即准备工作完成后表面应有最小的变形。应谨慎进行不同硬度标度之间的转换。尽可能避免换算，并按要求的方法进行硬度测试。如果没有严格的实验数据作为依据，尽量不要将硬度值换算为材料强度。洛氏（HR） 洛氏方法测试速度非常快，可用于生产控制，并且结果可直接读取。
洛氏硬度（HR）的工作原理：在一定的载荷下，将压头压入试样材料，然后测量压痕深度，计算出硬度值。压头材料可以是金刚石锥、硬质合金球或钢球。具体使用的材料取决于使用范围。在加载主载荷之前加载较小的预载荷，然后卸载预载荷。加载预紧力时，值为10布氏（HBW）。布氏法采用碳化钨球形压头，因此压痕更加明显。符号为HBW（W是钨的化学符号）。通过光学元件读取压痕的大小以确定硬度值。此方法的典型应用是铸造或锻造零件，其中结构元素较大且相分布不均匀，或者结构过于粗糙，其他方法（洛氏/维氏）无法给出正确的结果。负载范围：1-；压头类型：1/2.5/5/10mm直径球。加载负载时，洛氏硬度计负载较小，负载较小，负载较小。图8：洛氏硬度测试方法示意图。洛氏方程：洛氏硬度HR=Ee。 “E”是定义的常数，使用金刚石压头时为100，使用球压头时为130。 “e”为压痕深度，单位为0.002mm。 4 图 13：等离子喷涂涂层上压痕尺寸的比较：a) 努普； b) 维氏硬度。负载为0.5kgf。最后的抛光步骤使用 Nap 抛光布和金刚石悬浮液 (1μm) 进行准备。
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维氏（HV） 维氏硬度测试方法（HV）是将方锥体金刚石压头以一定的载荷压入试样材料，然后测量压痕的对角线长度，用光学方法读取压痕。尺寸用于确定硬度值，见图10。确定两个对角线测量值的平均值后，通过表格或公式，或直接通过自动硬度测试机获得硬度值。维氏法的载荷范围为 10gf 至 10gf。应用维氏硬度测试方法时，所获得的硬度值一般不受所施加的载荷值的影响。维氏压痕的间距要求如图 23 所示。加载载荷 a) b) 努氏 (HK) 加载相同的载荷。努普法和维氏法可用作维氏法的替代方法。产生的压痕尺寸比较如图13所示。主要优点是克服了脆性材料（如陶瓷）的开裂效应，同时有利于薄层的测试。对于布氏、维氏和努氏方法，应注意层数。压头为非对称菱形金刚石金字塔，其对角线长度应至少为20μm，否则压头为实心体，见图11。仅通过长对角线测量压痕尺寸误差过大。根据测量值确定，根据光学原理读取数值后即可确定硬度值。努氏法显微硬度测试的载荷范围为10gf至1kgf。与维氏法相比，如上所述，努氏法对表面处理的要求更高，因为显微硬度测试的测试载荷小于1kgf，因此其压痕尺寸很小。主要是因为对角线加长会导致压痕变浅，显微硬度测试的应用范围会变浅。
压痕间距由材料决定，见图12。当努氏方法中使用非常小的载荷时，宏观硬度测试扩展到太薄或太硬的材料。其负载范围为1gf-1000度，测试值随着负载的减小而增大。 gf，这是为了适应特定相的压力、成分加载方法和特殊零件，或大的硬度梯度。例如，非常薄的表面层、小零件、涂层、微型焊件、金属粉末颗粒、单独结构的元素或颗粒。硬度测试前最好不要对材料进行腐蚀，因为腐蚀会降低材料表面的反射率，使锯齿状的边角难以识别。当然，在测试单组分材料时，轻度腐蚀可以帮助区分不同的相/结构元素。同时，硬度测试时施加的载荷越小，对表面处理的要求越高。在这种情况下，可以使用机械、化学或电化学方法。需要注意的是，样品本身的表面性质不会因为材料制备过程中采用的加热或冷却方法而改变。根据试验载荷，应进行6、3或1μm的抛光，以消除切割和研磨引起的变形。对于小于 300 gf 的非常小的负载，测试表面应完全没有任何变形。这时，需要对试件进行氧化甚至电解抛光，以获得没有任何损伤的表面。还应该注意的是，柔软和/或延展性材料（即 HV 值小于 120-150）更容易受到制备伪影的影响。
保持表面的平整度对于获得可靠的测试结果非常重要，将试样放置在夹具中可确保压头垂直于测试表面。 6 表2：钢的制备方法。适用于 6 个直径为 30 mm 的镶嵌样品。 5. 硬化层深度 为了增强其耐磨性，对用作运动和旋转部件（例如齿轮、喷嘴和发动机部件）的钢材进行表面硬化。通过测量整个横截面的硬度可以定量测量硬度值的变化。表面硬化层深度 (CHD) 测量用于确定钢材的有效表面硬化层深度。具体工艺已标准化，硬化层深度的评价值取决于表面硬化所采用的方法，如感应淬火、渗碳或渗氮。大多数情况下，在显微硬度载荷范围内使用维氏法（某些条件下也可以使用努普法）。表3：软铝的制备方法。适用于 6 个直径为 30 mm 的镶嵌样品。当使用经过精细抛光的表面（例如氧化抛光表面）时，应注意OP-U测试结果不如OP-S可靠。 a) b) 图 16：硬化层深度的测量。压痕尺寸随着向样品中心扩展而逐渐增大，表明材料硬度逐渐降低。 c) d) 图 15：99.95% 铝材维氏硬度测试，HV 1： a) 切割后直接测试； b) 用 MD-Largo 和/Largo (9 μm) 精磨后； c) 用 MD-Mol 和 Mol (3 μm) 抛光后； d) 用 MD-Chem 和 OP-U（胶体硅 0.04 μm）氧化抛光后。
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图 17：压痕形成锯齿形。 7 图18：图形化端部淬火测试（示例中端部淬火测试编号：J15=35HRC，即距水冷端部15mm处测得的硬度值为35HRC）。测量薄涂层或热处理表面时需要边缘保护。进行 CHD 测试时，压痕尺寸随着硬度的降低而增大。见图16。为保证最小允许压痕间距（钢材对角线的3倍），可采用自动压痕间距法。随着压痕尺寸的增加，压痕间距也增加。通常需要大量的压痕才能达到硬度极限。然而，当达到设定的硬度值时，借助现代自动硬度测试机，设备会自动停止测试，不受预设测试点数量的限制。该测试有最小压痕间距要求，因为各个压痕不应相互影响。为了增加压痕数量和试验系列的准确性，可以将压痕排列成锯齿形，见图17。 端部淬火试验通过端部淬火试验方法可以了解钢的淬透性。将具有特定几何形状的测试棒加热至奥氏体化温度，然后使用标准水柱在一端冷却，见图 18。冷却后，研磨棒的一端并进行硬度测试（HV 30 或 HRC）。从淬火端开始每隔一段时间进行一次，见图19。由于冷却速度不同（距水冷端距离不同），测得的硬度值也会略有不同。 8 试件CR 试件的几何形状密切相关。
借助全景相机，可以观察整个样品表面，并可以轻松确定应压痕的位置。焊件标准将规定使用HV 5 或HV 10。 表4：焊件硬度测试结果图20 是焊件硬度测试压痕位置A300 处测得的硬度值。两块 12 毫米厚的碳。表4显示了焊接在一起的相应钢板（型号S55C）。开始硬度测试前，用6μm抛光液对待测表面进行抛光，然后用硝酸溶液轻轻腐蚀。进行该测试是为了验证焊接工艺是否符合标准（根据 NF EN）。该焊件的最大硬度为320 HV 10。有关焊接件的金相制备，请参见相应的应用说明。图20：利用全景相机布置测试点位置。表5：仪器因素 6.因素控制 当所有因素得到有效控制后，硬度测试变得非常简单。因此，建议了解一些这方面的基础知识。以下概述了影响硬度测试的因素。影响硬度测试的不同因素可分为五种主要类型，分别与仪器设备、测量本身、材料、操作者和环境有关，见图21。始终注意设法消除、减少它们，或者至少考虑到这些因素。我们将在下面提到/讨论这些影响因素。操作员因素操作员应了解硬度测试机的正确操作、表面要求和安装技术，以便尽可能高效地使用机器，同时减少测试期间的工作量。环境因素 硬度测试应在清洁、光滑和反光的表面上进行（适用于维氏、布氏和努氏测试方法）。测试应在稳定的环境下进行，即温度、湿度等条件
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