硬度測(cè)試技術(shù)

材料檢測(cè)（包括硬度測(cè)試）是分析組件特性的基本方法和有效途徑，可采用許多不同的方法和技術(shù)進(jìn)行材料檢測(cè)。測(cè)定硬度值能確保我們深入研究從原料、制備試樣到zui終產(chǎn)品的各類組件的性能、耐久性、強(qiáng)度、彈性和性能。在如今競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的市場(chǎng)中，隨著人們對(duì)精度和生產(chǎn)率的期望值不斷提高，質(zhì)量和生產(chǎn)誤差可能導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。與過(guò)去相比，制造、研發(fā)和質(zhì)量控制更加依賴和不斷提高的技術(shù)，以進(jìn)一步優(yōu)化現(xiàn)有的傳統(tǒng)工藝，以此保持自己的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。由于硬件、電子和成像算法和軟件技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了更*的材料和硬度測(cè)試設(shè)備，它們能更快速、更可靠、更地運(yùn)行，并提供極有價(jià)值的信息和特性數(shù)據(jù)。

自動(dòng)橫移和圖像分析

在進(jìn)行顯微硬度和宏觀硬度測(cè)試時(shí)，通常會(huì)使用努氏和維氏硬度測(cè)試法，它們都要求施加規(guī)定的試驗(yàn)力，然后測(cè)量產(chǎn)生的四棱錐形壓痕的尺寸，以此測(cè)定材料的硬度。根據(jù)測(cè)試流程的特點(diǎn)，通常需要施加較小的試驗(yàn)力，因此會(huì)產(chǎn)生極微小的壓痕，以致必須進(jìn)行顯微硬度測(cè)量。目前仍在廣泛使用的傳統(tǒng)方法要求使用可調(diào)節(jié)物鏡分辨率的顯微鏡，利用目鏡手動(dòng)測(cè)量。可以想象，這種做法不僅費(fèi)時(shí)、主觀，而且可能導(dǎo)致錯(cuò)誤。每天要處理和觀察幾百個(gè)壓痕的技術(shù)人員勢(shì)必會(huì)感到疲勞，隨著壓痕數(shù)量不斷增加，這很可能影響測(cè)量過(guò)程的準(zhǔn)確度和效率。此外，對(duì)硬度橫移進(jìn)行完整分析通常需要制作 15 個(gè)以上的壓痕，通常需要在一個(gè)試樣上多次按壓，因此迫切需要一種更*的操作技術(shù)。在過(guò)去幾年，許多傳統(tǒng)的手動(dòng)測(cè)試流程已在每一環(huán)節(jié)采用并將繼續(xù)采用自動(dòng)化技術(shù)，而且將來(lái)一定會(huì)廣泛普及。許多新技術(shù)已廣泛用于材料制備、載物臺(tái)移動(dòng)、結(jié)果分析和報(bào)告編制。在許多實(shí)驗(yàn)室廣泛采用的一種技術(shù)是通過(guò)載物臺(tái)自動(dòng)橫移和成像分析來(lái)測(cè)量努氏和維氏壓痕。

努氏或維氏硬度自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)通常由可*控制的硬度計(jì)構(gòu)成，它包括一個(gè)能自動(dòng)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)塔，以及能通過(guò)頂部/壓頭罩或主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)沿 Z 軸運(yùn)行的致動(dòng)器，它能對(duì)壓頭施加預(yù)定的試驗(yàn)力，同時(shí)還能自動(dòng)聚焦試樣。此外，裝有硬度測(cè)試軟件的電腦、自動(dòng) XY 軸電動(dòng)橫移載物臺(tái)、USB 攝像頭能使其成為功能強(qiáng)大的全自動(dòng)硬度測(cè)試系統(tǒng)。當(dāng)裝好試樣，設(shè)定好操作程序后，操作員即可離開(kāi)，系統(tǒng)可不受數(shù)量限制地自動(dòng)創(chuàng)建、測(cè)量和報(bào)告壓痕橫移。

這種技術(shù)有效避免了過(guò)去硬件導(dǎo)致的操作困難和工作區(qū)凌亂?？赏ㄟ^(guò)虛擬搖桿移動(dòng)載物臺(tái)，在有些系統(tǒng)中，載物臺(tái)控制器安裝在載物臺(tái)外殼內(nèi)。載物臺(tái)移動(dòng)算法和機(jī)械設(shè)計(jì)的發(fā)展，大大提高了 XY 軸精度和重復(fù)性，這正是橫移（如硬化層深度分析）的重要要求。圖像分析和載物臺(tái)自動(dòng)移動(dòng)技術(shù)已在硬度測(cè)試領(lǐng)域應(yīng)用，而且還會(huì)繼續(xù)發(fā)展，并會(huì)進(jìn)一步提高測(cè)試過(guò)程的準(zhǔn)確度和效率。相機(jī)技術(shù)已從抓幀器發(fā)展為 IEEE 火線接口和 USB 接口，這不僅能去除多余的硬件，還提高了相機(jī)的分辨率和視野。目前*的相機(jī)技術(shù)、電腦高速的處理能力，以及不斷升級(jí)的軟件包，大大提高了自動(dòng)硬度測(cè)試系統(tǒng)的精度、重復(fù)性和可靠性。以前由表面處理、照明、預(yù)設(shè)校準(zhǔn)、閾值和像素尺寸導(dǎo)致的測(cè)試限制，現(xiàn)在已*消除，而且還會(huì)進(jìn)一步改善。這樣，我們就能放手“讓儀器自己工作”并信賴測(cè)試結(jié)果，以不斷提高系統(tǒng)的處理能力和測(cè)試的一致性，更重要的是，它能讓操作員放手去完成其他的工作。利用大號(hào) XY 載物臺(tái)能顯著提高測(cè)試效率，這種載物臺(tái)能使用一組夾具同時(shí)固定 2 個(gè)、4 個(gè)甚至 6 個(gè)試樣。操作員打開(kāi)預(yù)設(shè)和保存的橫移位置，再將試樣放入夾具內(nèi)對(duì)齊，然后單擊鼠標(biāo)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)制作壓痕、讀取并報(bào)告每個(gè)試樣上的硬度橫移。自動(dòng)對(duì)焦能解決 Z 軸位置變化導(dǎo)致的壓痕不清晰的問(wèn)題。更新的軟件甚至允許在橫移過(guò)程和橫移間隙，采用不同的標(biāo)尺試驗(yàn)力和顯微鏡物鏡。自動(dòng)測(cè)試技術(shù)能顯著提高洛氏硬度測(cè)試的效率，特別是在重復(fù)模式下，例如，在頂端淬火試驗(yàn)中，操作員單擊鼠標(biāo)后即可離開(kāi)，系統(tǒng)會(huì)對(duì)試驗(yàn)棒材進(jìn)行全面測(cè)試，并生成試驗(yàn)報(bào)告。

測(cè)定拉伸性能的儀器化壓痕測(cè)試

儀器化壓痕測(cè)試 (IIT) 已應(yīng)用多年，它適用于試驗(yàn)力極小的測(cè)試和納米范圍的位移測(cè)量。根據(jù)《ASTM E2546 準(zhǔn)則》和《ISO 14577》的定義，IIT 測(cè)試?yán)糜捕葔汉蹃?lái)分析無(wú)法以其他方式測(cè)試的材料，如極薄的電鍍層。已發(fā)布的 ISO 技術(shù)報(bào)告《TR 29381》闡釋了三種可測(cè)定金屬材料拉伸性能的 IIT 測(cè)試法。這種新技術(shù)能滿足日益增長(zhǎng)的測(cè)試需求，它能確保現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)燃?xì)?、油類、反?yīng)器管道和其他結(jié)構(gòu)。

在的壓痕測(cè)試技術(shù)中，應(yīng)用前景zui廣闊的當(dāng)屬典型應(yīng)力與應(yīng)變 (RSS) 測(cè)試法。這種測(cè)試法采用直徑 1 mm 的碳化鎢球，以及在洛氏硬度測(cè)試和布氏硬度測(cè)試中采用的 1 – 300kg 的試驗(yàn)力。簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是以步進(jìn)的方式施加逐漸增大的試驗(yàn)力（參閱圖表）。需要在每一步中減小試驗(yàn)力，并記錄位移數(shù)據(jù)。然后增大試驗(yàn)力以進(jìn)行下一步。需要多次重復(fù)這些操作步驟，直至達(dá)到zui終的總試驗(yàn)力。取消試驗(yàn)力后，需要分析每步操作提供的數(shù)據(jù)，以在更傳統(tǒng)的應(yīng)力應(yīng)變曲線上創(chuàng)建數(shù)據(jù)點(diǎn)。然后可使用該應(yīng)力應(yīng)變曲線測(cè)定材料的拉伸性能。

這種新測(cè)試法并非目前使用的 ASTM 或 ISO 測(cè)試法，但目前正在進(jìn)行大量的研究，以確定這種方法的有效性。初步試驗(yàn)已表明，在測(cè)定拉伸性能時(shí)，RSS 測(cè)試法與傳統(tǒng)的單軸測(cè)試法存在 5% – 10% 的相關(guān)性。采用 RSS 測(cè)試法的主要優(yōu)勢(shì)是，它能非傳統(tǒng)試樣上進(jìn)行測(cè)試，而且能準(zhǔn)確地提供大量材料特性信息。

在科技飛速發(fā)展和機(jī)械化程度日益提高的當(dāng)今世界，材料檢測(cè)和檢定技術(shù)具有舉足輕重的意義。正確檢定試樣能提供與材料性能有關(guān)的重要信息，它對(duì)我們?nèi)粘Ｉ钪兴玫幕静牧系陌踩瓦\(yùn)行有至關(guān)重要的影響。掌握的技術(shù)能確保提高測(cè)試過(guò)程的精度和效率。和不斷進(jìn)步的測(cè)試流程不僅能節(jié)約大量時(shí)間和費(fèi)用，而且能提供更、更一致的測(cè)試法和測(cè)試結(jié)果。自動(dòng)硬度測(cè)試法、典型應(yīng)力和應(yīng)變測(cè)試法，以及創(chuàng)新技術(shù)的日后普及，會(huì)為未來(lái)材料檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。