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便携式硬度测试的原理和应用

作者:硬度计服务商创诚致佳
发布时间:2020-12-29
内容摘要:常规的硬度测试仪,例如Rockwell,Brinell或Vickers机器,要求将试件带到测试设备中。但这并不总是可能的。已经开发出允许现场硬度测量的便携式测试设备,从而为传统的固定测试机提供了快速,经济的补充。有两种不同的物理方法,特别是在实践领域中公认的,并且是许多应用程序公认的工具。本文解释了这两种测试方法的基本原...

    常规的硬度测试仪,例如Rockwell,Brinell或Vickers机器,要求将试件带到测试设备中。但这并不总是可能的。已经开发出允许现场硬度测量的便携式测试设备,从而为传统的固定测试机提供了快速,经济的补充。有两种不同的物理方法,特别是在实践领域中公认的,并且是许多应用程序公认的工具。

    本文解释了这两种测试方法的基本原理,并以实际应用为例,比较了这两种方法的应用可能性。严格讨论的主题是影响硬度测试的因素,例如表面准备或要测试的零件(例如管道)的壁厚。

    除了这些成功应用的方法之外,Krautkramer现在还引入了一种全新的技术:贯穿金刚石技术。这款光学移动式硬度计首次测量了负载下的真实维氏硬度。

介绍

    什么是“硬度”?
    对于金属,硬度一直是技术人员广泛讨论的主题,因此定义范围很广。硬度特性包括各种属性,例如抗磨蚀性,抗塑性变形,高弹性模量,高屈服点,高强度,没有弹性阻尼,脆性或缺乏延展性。

    对于冶金学家而言,硬度是材料的抗渗透性。通常,将压头在特定载荷下在确定的时间间隔内压入待测材料的表面,然后对压痕的大小或深度进行测量。

    硬度不是材料的基本属性,而是对特定测试方法的响应。硬度值基本上是任意的,并且没有绝对的硬度标准。硬度没有定量值,除非以特定的,可复制的方式并以指定的压头形状施加给定的载荷。

    静态压痕测试是普遍使用的,其中球形,圆锥形或金字塔形穿透到被测材料的表面。载荷与压痕面积或深度之间的关系是硬度的量度,例如常见的台式布氏,洛氏,维氏或努氏硬度计中的硬度。

    例如,布氏(HB)和洛氏(HRC)使用的不同方法和形状不同的压头会对被测材料产生不同的响应。与HRC和HB值相关的换算表必须根据经验通过使用不同测试方法对特定材料的硬度进行实验评估来确定。没有数学方程式可以将测量结果从一个刻度转移到另一个刻度。为了比较两个不同样品的硬度,必须使用相同的硬度标尺来测量两个标尺,或者必须开发一个标尺以将一种测量转换为另一种。

    为什么要进行硬度测试?
    在制造应用中,主要出于以下两个原因对材料进行测试:研究新材料的特性或进行质量检查以确保样品符合特定规格。

    如何现场测量硬度?
    常规的硬度测试机要求将测试件带到测试装置中。但这并不总是可能的。已经开发出允许现场硬度测量的便携式测试设备。

    一种流行的装置测量带有维氏钻石尖端的共振棒的频率偏移,当钻石通过施加特定的测试载荷渗入测试材料时会发生这种情况。评估频移并将其电子转换为LCD上显示的硬度值。MICRODUR仪器(Krautkramer)是按照这种方法工作的,即所谓的UCI(超声波接触阻抗)方法。

    便携式硬度计的另一个众所周知的原理是回弹法。例如,DynaMIC和DynaPOCKET(Krautkramer)可在冲击到测试材料表面之前和之后直接测量推进的冲击体的速度。两种速度之间的比率表示材料的硬度,可以使用仪器中存储的用于不同材料的转换表将其转换为不同的比例。

只需一台仪器即可进行UCI和回弹硬度测试!

    全新的Krautkramer MIC 20在一台仪器中结合了两种最成功应用的便携式硬度测试原理。无论您要使用UCI原理还是动态回弹测试方法-MIC 20都提供了两种可能性。您只需要一台仪器,就可以插入并使用所有当前的UCI探针和冲击装置。

UCI方法

    如在标准的维氏或布氏硬度测试中一样,在根据UCI(超声波接触阻抗)方法进行的维氏硬度测试中,关于由一定测试载荷产生的材料中的测试压痕尺寸的问题也出现了。但是,为了确定维氏硬度值而必须知道的测试压痕的对角线不会像通常那样进行光学评估,而是通过测量超声波频率的偏移以电子方式检测压痕区域

    UCI探针通常由附在金属棒末端的维氏钻石组成(图1)。该杆被压电换能器激发成约70 kHz的纵向振动。


     图1:UCI探针的示意图。

    当施加测试负载时,随着金刚石渗入材料,频率发生偏移。当测试压痕变大时,该频移将变大,这意味着当钻石更深地渗透到“软”材料中时。类似地,最小的频移是由硬质测试材料产生的。钻石仅微微渗入材料中,并留下小凹痕。

    这是UCI硬度测试的秘诀:频移与维氏钻石产生的测试压痕的大小成正比。与维氏硬度值的定义相比,公式(1)描述了这种基本关系。


    (1)



    等式1:频移是维氏压头压痕尺寸的函数。D f =频移,A =压痕面积,E eff =有效弹性模量(包含压头和试件的弹性常数),HV =维氏硬度值,F =维氏硬度测试中施加的力。


    为了执行UCI原理,包含带有杆的探头的探针通过压电陶瓷在超声波频率下谐振,该杆的维氏钻石固定在接触端。弹簧施加载荷,杆的频率与维氏钻石产生的压痕的接触面积成比例地变化。因此,硬度值不是通过凹痕的对角线直观地确定的,而是通过电子测量几秒钟内的频移来确定的。

    仪器不断监测频率,执行计算并立即显示硬度值。

    然而,频移还取决于杨氏弹性模量,该弹性模量是材料常数。因此,对于UCI方法的实际应用,必须考虑杨氏模量。当必须确定具有不同杨氏模量值的不同材料的硬度时,必须对仪器进行校准。

    完成校准后,UCI方法可用于所有显示此弹性模量的材料。在制造时,探头应在低合金或非合金钢上进行校准。但是,现代测试仪器也可以在测试位置快速校准为其他材料,例如钛或铜。

回弹法

    使用回弹法的硬度测试仪的操作方式略有不同。尽管即使在这种情况下,产生的测试压痕的大小也与材料硬度有关,但它是通过所谓冲击体的能量损失间接测量的。团块被加速到测试对象的表面并以定义的速度(即动能)撞击在其上。冲击会产生表面的塑性变形(即凹痕),从而使冲击体失去部分原始速度或能量。在较软的材料上创建较大的压痕时,它将损失更多的速度。从技术上讲,此测量原理是通过具有球形碳化钨尖端的冲击体来实现的,该冲击体通过弹力加速到测试表面上。

    这是通过在冲击体内(图2)中的一个小的永磁体完成的,该永磁体在通过线圈时会产生感应电压,该电压与速度成正比。


     图2:典型冲击装置的剖面图。

    该方法的发明者D. Leeb定义了“他自己”的硬度值,即Leeb硬度值。里氏硬度值HL由冲击和回弹速度之比计算得出:


    (2)



    公式2:根据里氏硬度(HL)的硬度值定义为碳化钨球撞击到试样表面之后的回弹速度(v R)与之前的撞击速度(v I)之比。


    您可能会问自己:“谁想测量里氏硬度值?” 答案是:事实上,任何使用回弹硬度测试方法的人都可以这样做,因为根据公式(2)的定义,里氏硬度值是该方法背后的实际物理测量值。但是,几乎没有用户在其规格或测试报告中指出里氏硬度值HL。我们主要转换为所需的硬度等级(HV,HB,HS,HRC,HRB,N / mm 2)。因此,只有转换才能使回弹硬度法生效。根据经验确定的不同材料组的换算表存储在Krautkramer硬度测试仪中。

    为了应用该原理,冲击装置使用弹簧将冲击体通过导管推向试件。当其朝着测试件行进时,包含在冲击体内的磁铁会在环绕导管的线圈中产生信号。撞击后,它从表面反弹,将第二个信号引入线圈。Krautkramer仪器使用电压比率来计算硬度值,并分析其相位以自动补偿方向变化。由于获得了专利的信号处理技术,因此无需对冲击方向进行任何手动校正。仅Krautkramer硬度计提供此自动平衡功能。

    应用解决方案取决于冲击体的力和球的大小。操作员可以在DynaMIC硬度计(Dyna D,Dyna E和Dyna G)以及DynaPOCKET仪器的不同冲击装置之间进行选择。

贯穿钻石技术

    虽然两种方法(UCI和回弹法)已在现场成功使用并解决了许多现场硬度测试应用,但是在被测材料的种类,尺寸和重量方面分别存在局限性。此外,由于杨氏模量的影响,大多数传统的测试方法不允许先校准或调整仪器才能测量不同的材料。

TDT方法的优点是什么?

    使用跨锥体压头观察,或也称为穿透金刚石技术,我们克服了这一“障碍”:几乎可以测试从钢到橡胶以及从铝到塑料的各种材料,而无需仪器校准。利用该仪器,我们开发了一种光学移动式硬度计,可以在载荷下进行真正的维氏硬度测量,而不必面对测试材料弹性模量(即杨氏模量)的干扰影响。

    该系统由便携式基本仪器组成,该仪器包括图形LCD显示屏和TDT探头(见图3)。


     图3:TDT探针的示意图。

    通过施加一定的测试负载(例如50 N),钻石会渗入材料中。维氏钻石的压痕尺寸,即对角线的长度,是通过在具有负载的情况下通过具有CCD摄像头的光学系统观察钻石来自动测量的。然后在仪器中进行数据评估。由于维氏硬度被简单地定义为测试载荷与压痕尺寸(压痕的对角线)之间的比率,因此对角线长度的TDT测量可立即为所施加的测试载荷产生维氏硬度值。仪器LCD上显示的压痕实时图像还可以立即表征测量的可靠性,即维氏钻石压痕的质量。

    TDT硬度测试的物理方法(可追溯到维氏硬度)可以在不校准仪器的情况下进行不同材料的移动测试。通过观察负载下的钻石,TDT不仅可以对卷材,薄层和涂层等新应用进行移动硬度测试,而且还可以对塑料,玻璃和陶瓷或金属间化合物等高科技材料进行移动硬度测试。

    通过观察钻石在负载下进行测试时,TDT仪器甚至可以测量弹性或软材料的硬度。其他类型的测试(例如布氏,维氏或努氏测试)也有困难。尝试应用某些“较旧类型”的测试的问题在于,压痕本身有时几乎可以完全恢复,并且没有永久性的印痕,因此无法进行测量。TDT方法消除了该问题。它涉及将已知几何形状的金刚石冲头压入材料表面。在测试过程中,将在负载下监控压痕大小。

    在某些行业中,铝或软金属合金(例如焊料)将被视为“软”材料。但是,随着橡胶,塑料和聚合物的测试变得越来越普遍,即使是最软的金属也显得相对坚硬。这是一个相对术语。尽管如此,测试软材料的应用还是很广泛的。汽车工业测试油漆和轮胎的硬度。微电子学和光子学行业测试低介电常数薄膜,化学和机械抛光垫,接合垫,焊料以及电子包装材料。生物材料工业测试聚合物关节植入物材料,指甲油和药物颗粒。医学领域甚至测试诸如肝脏,软骨和动脉组织的生物样本。为软质材料确定有意义的硬度值一直很困难,

贯穿钻石技术(TDT)

    该技术的创新之处在于对维氏钻石压痕的评估,该压痕是通过使用CCD相机查看维氏钻石进行的。为此,必须使用几何布置的发光二极管(LED)照亮钻石的内表面。

    为了获得压痕图像的最高分辨率,必须使LED光的波长与CCD芯片的光谱灵敏度特性相匹配。开发了一种特殊的透镜系统,并针对LED进行了调整,以确保最大的分辨率。压痕的计算机辅助评估和对角线长度的确定分三个步骤进行。第一步是确定压痕的大致位置。之后,通过应用合适的“过渡滤镜”来确定任何灰度过渡,来确定凹痕边界的确切路线在当地附近地区(所谓的关注区域)。最后,使用计算出的边界和维氏钻石的边缘的交点确定压痕表面和对角线。根据维氏的定义,

实际应用

    基于PC的TDT系统由手持PC和TDT探头组成。仪器和探头之间的接口可作为探头的电源以及所有控制功能的连接器。该接口还将BAS信号从CCD摄像机馈送到图像采集卡。使用专用软件可以评估数据,测量对角线并计算硬度值。可以显示钻石的实时图像,从而可以查看钻石的压痕过程,即通过施加测试负载来增加压痕的过程。它还可以分别对钻石和钻石的压痕进行原位质量表征。

    根据分辨率和测试负载,可以分析不同的硬度范围。测试负载为50 N的标准TDT探头的测量范围约为100 HV5至900 HV5。对于较软的材料,必须施加较低的测试负荷。

    原则上,只要硬度值在用于测量的TDT探头的范围内,就可以测试所有类型的材料。


     图4:通过TDT测量在a)钢b)盘绕钢c)铁氟龙和d)陶瓷(Al 2 O 3上获得的典型维氏钻石压痕

    图4显示了TDT仪器在不同的被测材料上获得的一些典型的维氏钻石压痕。TDT –例如–可以确定散装材料的硬度

    1. 可以测量线圈的硬度

    2. 并为诸如高科技材料的新应用打开了硬度测试

    3. 陶瓷

    4. 或橡胶和塑料。


概要

    通过观察负载下的金刚石,直通金刚石技术为硬度测试开辟了新的应用。便携式仪器不仅可以进行现场测量,还可以对所有材料进行硬度测量。所获得的硬度值对应于维氏测试,除了TDT在负载下测量外,因此还可以测量通常压痕硬度无法达到的弹性材料。

结论

    移动式硬度测试仪不会取代传统的台式机,但是,它们却成为硬度测试仪必不可少的附件。在过去的几十年中,开发了几种基于不同物理方法的便携式仪器。如今,便携式设备已成为广泛用于便携式现场硬度测试应用的公认工具。

    这些仪器解决了许多移动式硬度测试任务,但是每种方法或多或少都局限于特定的应用领域,因此,决定使用哪种方法和仪器的决定很大程度上取决于测试应用。


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