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硬度測試與硬度測試方法

大約在1900年,Martens 提出了以下對於硬度測試定義:“硬度是一個物體對另一個較硬物體的抗壓痕強度。”這個簡單精確的定義已在學術界佔有一席之地,並在今天仍與當時一樣被認定。技術硬度是一種用來描述材料或材料狀態的機械特性。

硬度不能直接測出,但可以透過主要測量變量所得出(如測試負載、壓痕深度、壓痕面積)。根據測試方法,硬度值由以下之一所測定:

  • 測試負載和表徵壓痕硬度的幾何值之一(例如壓痕深度)
  • 僅透過長度表徵壓痕
  • 透過不同的材料反應(例如抗刮傷性)

硬度定義 硬度取決於什麼?硬度測量 硬度測試目標 硬度測試方法總覽 靜態及動態硬度測試方法 常見標準 負載範圍的分類 負載應用的變化 歷史

詳細資訊請參閱:

硬度計及硬度測試

硬度的定義

硬度是材料(試樣)對另一個較硬的物體(壓頭)機械壓痕的機械抵抗力。
最硬的天然材料是金剛石,用於壓頭(工業金剛石)。
硬度的定義不同於強度的定義,強度是材料抵抗變形和分離的能力。

硬度取決於什麼?

硬度不是材料的基本物理特性。但是某些材料會在一定的硬度範圍內移動。硬度會因熱量而改變,這意味著工件在經熱處理後會呈現不同(更高)的硬度值。

並沒有明確定義的硬度值。硬度測試中所測定的硬度值取決於:

  • 選定的測試方法
  • 施加在壓頭上的試驗載荷
  • 壓頭在材料中的時間長度
  • 壓頭的幾何形狀
  • 工件的幾何形狀

硬度是如何被測量的?

施加靜力是金屬硬度測試的主要方法。 對壓頭留下的壓痕深度或壓痕尺寸進行測量。 針對硬度測試中的靜態方法,深度測量方法和光學測量方法之間存在著差異。

  • 壓痕深度測量法用於測量壓頭在工件上所留下的壓痕深度。 Rockwell 測試法是唯一符合標準的壓痕深度測量法(詳 ISO 6508、ASTM E18)。 除此之外,另有非標準化的壓痕深度測量法: 布氏 (Brinell) 與維氏 (Vickers) 深度測量 (HBT、HVT)。
  • 光學測量法用於測量壓頭在工件上所留下的壓痕大小。 標準化的光學硬度測試方法包括布氏硬度測試 (ISO 6506/ASTM E10)、努氏 (Knoop) 硬度測試 (ISO 4545/ASTM E92、ASTM E384) 與維氏硬度測試 (ISO 6507/ASTM E92、ASTM E384)。
  • 此外,施加動態力測試法也可用於硬度測試。 此類測試法的例子包括:里氏 (Leeb) 回彈硬度測試法/里氏硬度測試 (ISO 16589、ASTM A965), 即測量球形壓頭的回彈高度。

硬度測試目的

材料測試領域的硬度測試

  • 今日,硬度測試機械性材料測試中使用最廣泛的方法之一,尤其是對於金屬而言
  • 一方面,該測試方法可用於發現與其他材料特性(例如強度、剛度、密度)或特定應力下材料行為(例如耐磨性)的定性關係。
  • 另一方面,硬度測試是一種相對容易和快速執行的方法; 它造成的破壞相對較小,即試樣表面僅留下輕微的表面損傷。
  • 它還提供了品質控管的選項(進貨和出貨檢驗)。還可以使用硬度測試方法測試各種幾何形狀的試樣。

硬度測試任務和目標

  • 硬度測試是區分材料以及在基礎研究(材料科學、材料工程、材料診斷學)框架內分析、開發和改進材料和技術的重要輔助工具。
  • 它用於測定特性值(硬度值),這些特性值對於材料在工業應用中的使用(材料對技術相關組件的適用性)、質量保證範圍內的控製過程的驗收(進貨和出貨)至關重要 貨物檢驗),用於區分材料(例如,混合材料)和澄清損壞情況(損壞分析)。

硬度測試方法總覽

硬度測試方法
靜態力施加動態力施加
將帶有硬質金屬球或圓錐/金剛石金字塔的壓頭垂直壓入放置在固體支撐物上的試樣表面。 測試負載是在規定的應用和暴露時間下無衝擊地施加的。施加動態力的方法主要用於大型組件的硬度測試。

壓痕的光學測量

壓痕是在去除工作負載後測量的。長度測量值(對角線、直徑)被用於計算硬度值。

深度測量方式

壓痕深度是在測試負載下或移除附加測試負載後測量的。

能量測量

測量衝擊和回彈速度(或高度)。

恆定測試負載下的測量

  • 儀器化壓痕測試 Martens HM
  • 球壓痕硬度:
  • 根據維氏 HVT 修正方法

移除額外測試負載後的預負載測量值
 

  • Rockwell (A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T, W, X, Y)
  • 洛氏(R、L、M、E、K、alpha)
  • 根據布氏 HBT 修改的測試法
  • Leeb HL
  • 回彈硬度(如:Sklerograph)

靜態與動態硬度測試方法的差異

原則上,硬度測試方法一般用於科技領域,並分為靜態與動態施力測試法

  • 若主要用於金屬硬度測試的靜態測試法,會慢慢增加測試負載。這意味著力量是在其中一項標準(詳圖)所指定的最低時限內穩定增加,不會有突發動作。
  • 另一方面,動態測試法則是透過突然對試樣施以衝擊力所進行的負載測試。

金屬靜態硬度試驗方法的鑑別標準

金屬硬度測試主要採用靜態力施加方法。可以根據以下標準進行區分:

  • 壓頭形狀(球形、棱錐形或圓錐形)
  • 壓頭材料(硬化鋼、硬金屬或金剛石)
  • 施加在試樣上的試驗載荷的大小
  • 評估方法:測量由壓頭產生的壓痕深度(深度測量法)或壓痕尺寸(光學測量法)。

硬度測試的常用標準

金屬硬度測試是根據以下常見的靜態方法進行的,這些方法在以下列出的標準(ISO 與 ASTM)中有定義:

測試方法 ISO ASTM
布氏 ISO 6506 ASTM E10
維氏 ISO 6507 ASTM E92, ASTM E384
洛氏

ISO 6508
DIN 50103

ASTM E18
Rockwell 方法中的 Jominy 測試/Jominy 端部淬火測試
ISO 642 ASTM A255
努氏 ISO 4545 ASTM E92, ASTM E384
Leeb 硬度測試 (rebound 硬度測試方法) ISO 16589 ASTM A965

以下測試方法用於橡膠彈性聚合物與彈性體的硬度測試

邵氏硬度

ISO 7619-1

ASTM D2240

球壓痕硬度:

ISO 2039-1

洛氏

ISO 2039-2

ASTM D785

儀化式硬度測試 ISO 19278 (草案)

各負載範圍的硬度測試類別

硬度測試領域中,會根據用途使用不同的主要負載(試驗力)。視主要負載在硬度測試期間被施力至試樣的高度,在 ISO 的範疇中,測試分為微負載、低負載或大負載硬度測試

  • 宏觀負載範圍中(傳統硬度測試範圍),會使用≥ 5 kgf 的大型測試負載 進行測試,這也會導致在試件上產生較大的硬度壓痕。宏觀負載範圍的硬度測試法包括布氏、維氏與洛氏。
  • 低負載範圍硬度測試適用於落在 0.2 kgf 到 5 kgf 區間的測試負載(測試負載 ≥ 0.2 kgf 且 < 5 kgf)。最常用的低負載方法是維氏法。低載荷硬度測試主要用於小零件、厚塗層和低硬度材料的測試。
  • < 0.2 kgf 的小型測試負載會在試件上留下小型壓痕,一般用於微觀負載硬度測試(最常用的測試法:Vickers 維氏)因此,微觀硬度測試可用於測定薄塗層的硬度,或如單個微晶體或夾雜物的硬度。

硬度測試 - 負載應用的變化

砝碼恆載荷
帶彈簧的恆載
閉環控制
帶閉環控制的恆載

砝碼恆載荷

  • 過去硬度測試機的測試力量是透過使用砝碼恆載荷執行。這意味著通過直接作用的質量施加特定的測試力。試驗力通常可透過槓桿機構或改變砝碼來調節。
  • 對於不同深度的方法(例如,洛氏),預載荷和主載荷是通過耦合主載荷的附加重量來施加的。
  • 具有這種結構的恆載系統通常帶有阻尼元件,以便能夠在沒有衝擊的情況下施加測試力。即便如此,由於系統類型的原因,無法避免測試力的過衝。此外,振動和衝擊對硬度測量的影響相對較大。

帶彈簧的恆載

某些硬度測試機,尤其是手提系統會使用搭載彈簧系統的恆載荷施加試驗力。這意味著特定的測試力不是通過直接作用的質量施加的,而是通過彈簧施加的,因此力保持恆定且不能改變。與直接作用的質量(重量)相比,該系統的優勢在於它對振動並不敏感。

閉環控制

通常,閉環控制系統用於使指定的物理量(控制變量r)達到所需值(設定值s)並通過測量和調整實際值(i)將其保持在該水平。閉環會持續不斷地執行測量、比較與調整。

更多有關閉環控制系統的資訊

帶閉環控制的恆載

透過閉環控制的恆載荷之施力結合這兩種技術。在此情況下,部分試驗力會使用直接作動的質量施加,其餘試驗力則是以閉環控制系統施加。恆載荷主要用於非常低的試驗力,以可靠地滿足極低的公差極限。

硬度測試的歷史

  • 1722: R. A. Réaumur 開發了一種使用鋼材刮擦礦物表面的方法。
  • 1822: 發明了用於礦物測試的莫氏硬度計。這是一個十點划痕硬度標度,其中每種材料都可以使用下一種更硬的材料進行划痕。莫氏硬度值
  • 今天仍在礦物學中使用,但不適用於測定技術材料(金屬)的硬度。各個硬度台階都比較大,間隔也不同。

 

莫式硬度 礦物種類 維氏硬度 (HV)

1

滑石粉

2 HV

2

石膏

35 HV

3

方解石

100 HV

4

螢石

200 HV

5

磷灰石

540 HV

6

正長石

800 HV

7

石英

1,100 HV

8

黃玉

1,400 HV

9

剛玉

2,000 HV

10

鑽石

10,000 HV

 

  • 1900: J. A. Brinell 開發了一種球壓痕測試,後來被稱為 Brinell 布氏方法。
  • 1920: S. R. Rockwell 開發了以他的名字命名的預加載方法來測試他的船隻。
  • 1925: 維氏法是由英國的 R. Smith 和 G. Sandland 發明的。它允許了顯微硬度測試的實行。
  • 1939: F. Knoop、C. G. Peters 和 W. B. E. Emerson 在美國國家標準局發明了努氏測試法。

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在塑膠產業有許多測試硬度的方法。包括以下方法:球壓痕硬度:ISO 2039-1,洛氏硬度:ISO 2039-2、ASTM D785,儀器化的硬度測試:ISO 14577-1,邵氏硬度:ISO 868、ASTM D2240、ISO 7619
到 塑膠硬度測試
塑膠及彈性體的邵氏硬度測試
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到 塑膠及彈性體的邵氏硬度測試
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