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硬度史

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發佈時間 : 2020-07-06 17:26:50

早期硬度測試

應用於大多數材料(尤其是金屬)的硬度是一種有價值的,具有啟發性且常用的機械測試,已以各種形式使用了250多年。當然,作為一種材料特性,其價值和重要性不可低估,來自硬度測試的信息可以補充並經常與其他材料驗證技術(例如拉伸或壓縮)結合使用,以提供關鍵的性能信息。材料和硬度測試有多重要和有用?請考慮所提供的信息及其在結構,航空航天,汽車,質量控制,故障分析以及許多其他形式的製造和工業中的意義。確定這些材料的特性可提供有關耐久性,強度,柔韌性,以及從原材料到準備好的樣本以及成品的各種組件類型的功能。多年來,已開發出各種確定材料硬度的方法,並以不同的成功水平加以採用。從早期的划痕測試到復雜的自動成像,硬度測試已發展成為一種高效,準確且有價值的材料測試方法。



儘管測試技術和硬件已得到顯著改善,尤其是近年來,並且隨著電子,計算機,硬件和編程功能的迅速發展,但較早的基本形式的硬度測試(例如簡單的划痕測試)已足以滿足測試需求。相關時代。條形刮擦測試的某些最早形式可以追溯到1722年。這些測試基於條形硬度從頭到尾提高的方法。被測材料可能在條上形成刮痕的水平是決定試樣硬度的因素。後來,在1822年,引入了硬度測試表格,其中包括用鑽石刮擦材料表面並測量所得線的寬度,該測試最終稱為莫氏刻度。在某些過程中,**仍然使用這種方法。莫氏硬度等級由十種礦物組成,從最硬的10(鑽石)到最軟的1(滑石)排列。每種礦物都可以劃傷在刻度層次結構中低於其的礦物。莫氏刻度不是線性的;9和10之間的硬度差異明顯大於1和2之間的硬度差異。為了使Mohs鱗片更清晰,一個明顯的例子是淬硬的工具鋼,其硬度在鱗片上大約為7或8。在接下來的75年中,引入了其他更完善的划痕測試版本,包括集成的顯微鏡,載物台和金剛石設備,這些設備施加的負載增加到3克。在負載變化下刮擦待測試的材料,然後與一組已知值的標準刮擦進行比較。該系統的更複雜的版本採用了安裝在錐形鋼彈簧末端的鑽石。彈簧的另一端連接到3克重的平衡臂上。待測試的材料通過手動齒輪和蝸輪系統移動,在其頂部裝有用於該材料的載物台和固定裝置。遍歷材料時施加固定壓力,導致材料“割傷”,然後在絲狀千分尺目鏡的幫助下在顯微鏡下進行測量。然後使用該過程固有的數學公式來得出硬度。在它上面坐著一個舞台和材料固定架。遍歷材料時施加固定壓力,導致材料“割傷”,然後在絲狀千分尺目鏡的幫助下在顯微鏡下進行測量。然後使用該過程固有的數學公式來得出硬度。在它上面坐著一個舞台和材料固定架。遍歷材料時施加固定壓力,導致材料“割傷”,然後在絲狀千分尺目鏡的幫助下在顯微鏡下進行測量。然後使用該過程固有的數學公式來得出硬度。



後來引入了壓痕型硬度,一種早期形式大約在1859年開發出來,它基於在材料中產生3.5毫米壓痕所需的載荷。用游標尺系統測量深度,達到3.5毫米所需的總載荷稱為硬度。穿透器由一個圓錐形的圓錐體組成,圓錐形的圓錐體從頂部的5毫米逐漸減小到該點的1.25毫米。該方法在軟質材料中最有效。壓痕測試的另一種早期形式涉及將同一測試材料的直角幾何形狀彼此壓在一起並測量所得壓痕的寬度。在1900年代初期,這種技術發展出了多種形式,它們同樣使用了圓柱狀測試材料的“相互”壓痕,其縱軸彼此成直角。

布氏硬度測試

JA Brinell於1900年提出了**個被廣泛接受和標準化的壓痕硬度測試。在許多瑞典鋼鐵公司的工作中,Brinell對材料科學的興趣不斷增長,並且他希望有一種始終如一的快速測定材料硬度的方法。目前仍廣泛使用的布氏硬度測試包括用重達3,000 kg的1至10 mm直徑的鋼或最近的碳化鎢球壓入金屬表面。去除負載後,用低倍顯微鏡測量所得的壓痕,即壓痕的直徑。求出直角壓痕直徑的兩個讀數的平均值,並通過數學計算得出硬度值。

鞏膜硬度計

大約在布氏(Brinell)開發為有用的測試的同時,Scleroscope硬度測試儀被引入為首批“非標記”硬度測試儀之一。艾伯特·F·肖爾(Albert F. Shore)在紐約創立了肖爾儀器製造公司,他的名字現已成為硬度計測試的代名詞,他設計了Scleroscope作為替代性硬度測試。鞏膜鏡使用鑽石尖頭的“錘子”,該錘子固定在玻璃前管中,該管從10英寸高處掉落到試樣上。錘的回彈以“肖爾”單位的刻度進行測量,每個單位分為100個部分,與硬化的高碳鋼所預期的回彈進行比較。從技術上講,硬度讀數是材料彈性的量度。



隨著20世紀的進步和兩次世界大戰的爆發,隨著工業革命的不斷發展,製造要求的提高和全球工業化帶來了對更精緻,更有效的測試方法的迫切需求,並且新技術也開始發展。為了應對繁重的製造需求,結構故障以及在不斷增長的全球基礎設施中設計足夠的材料完整性的需求,需要準確,高效的測試形式。

維氏硬度測試

作為布氏硬度的替代方法,維氏硬度測試是由兩名工程師Smith和Sandland在1924年由英國工程集團Vickers Ltd開發的。該測試是針對需要對布氏有效的材料限制進行更完善的測試而設計的。維氏測試使用與布氏硬度相同的原理,即在材料上施加規則的壓痕,但改為使用金字塔形鑽石而不是布氏壓頭。這導致了更一致,更通用的硬度測試。後來,在1939年,美國國家標準局的Fredrick Knoop提出了一種替代維氏測試的方法。努氏測試採用了較淺,細長的菱形金字塔,並且設計用於比維氏硬度測試更低的測試力下使用,允許對脆性或薄材料進行更準確的測試。維氏和努氏測試都繼續作為當今流行的硬度分析方法。

洛氏硬度測試

儘管維也納教授保羅·路德維克(Paul Ludwik)於1908年將其設想為一種想法,但直到1914年左右,由位於康涅狄格州布里斯托爾的一家製造公司工作的斯坦利(Stanley)和休·洛克威爾(Hugh Rockwell)兄弟在擴展利用這種想法的思想之後,洛克威爾壓痕測試才變得具有商業意義。一種基於位移的圓錐形金剛石壓痕測試,並已申請了羅克韋爾測試儀設計的專利。該測試儀的主要標準是提供一種確定熱處理對鋼軸承座圈影響的快速方法。羅克韋爾(Rockwell)的主要優勢之一是所需的壓痕面積小。它也很容易使用,因為讀數是直接的,無需計算或二次測量。該專利申請於1919年2月11日獲得批准,1924年,又授予了一項改進的外觀設計專利。同時,斯坦利·羅克韋爾(Stanley Rockwell)與康涅狄格州哈特福德的儀器製造商查爾斯·威爾遜(Charles H. Wilson)合作,開始了羅克韋爾測試儀的商業生產。該公司成長為威爾遜機械儀器公司,並被稱為洛克威爾測試儀的高級生產商。經過1900年代的所有權變更後,Wilson在1993年被全球材料測試行業的領導者Instron收購,如今已成為Instron /伊利諾伊州工具工廠的組成部分。 Instron / Wilson的綜合專業知識,現在被稱為Wilson硬度,再加上後來對Wolpert硬度和Reicherter硬度的收購,導致了**硬度系統的設計和生產。

硬度測試-**和將來

整個1900年代中後期,硬度測試技術一直保持相當穩定,大多數係統通常使用自重法施加測試力。無載技術雖然相當簡單,可靠並且已被廣泛接受,但該方法並非沒有歧義。勞動密集型生產,再加上依靠槓桿,樞軸和導向裝置的高度機械系統所涉及的複雜性,導致需要進一步開發,並且很明顯,在測量儀器中使用的其他新開發的力調節形式也可以應用於硬度測試。也一樣 隨著對生產率,準確性,用戶功能和可重複性閉環的要求不斷提高,稱重傳感器技術已成為硬度測試的一個因素。在1950年代,馬薩諸塞州的英斯特朗(Instron)率先在張力測試儀上使用閉環系統。閉環系統與開環(無載)系統的不同之處在於,閉環系統具有一種可以電子測量每次測試期間施加的力並將信息反饋(或循環)回控制系統的方法。控制系統設計為使用反饋來調整施力機制,以極精確的速度施加所需的力。這些系統運行良好,以至於**所有的電子拉伸/壓縮儀器都只使用閉環控制。通過Instron和Wilson的合作,有效地使閉環控制適應硬度測試儀的能力促使開發了具有前所未有的可重複性的系統。在1990年代初期,這項技術首先被引入羅克韋爾測試儀,然後到努氏/維克斯,以及布氏系統。閉環很快*獲得了動力,從而獲得了極其準確和可重複的硬度測試結果。**,該技術是一種流行且廣泛使用的格式。



現在,隨著近年來硬度測試儀器,計算機硬件,電子設備,成像算法和軟件功能的重大改進,該門打開了極其精確和可靠的測試流程的大門,這些流程通常以自動化方式提供比以往更快的結果。這些組件和技術已被證明有助於將效率,速度和精度提高到無與倫比的水平。在過去的幾年中,毫無疑問,將來會越來越多,在測試過程的各個方面,越來越多的傳統手動測試過程已經並且將繼續被自動化所取代。材料準備和處理,夾具,工作台移動,結果解釋和分析,甚至報告的新技術現已引入硬度測試行業。使用階段遍歷和努氏,維氏和布氏壓痕的圖像分析,越來越多的自動化技術被集成到許多硬度系統中。自動硬度系統通常包括一個完全可控的測試儀,包括一個自動旋轉或旋轉的轉塔,以及從頭部/壓頭殼體或主軸驅動系統在Z軸上進行的驅動,該系統用於在預定位置施加壓痕力以及自動聚焦樣品。再加上一台標準計算機,該計算機配有專用的硬度軟件,一個自動XY橫移電動平台和一個USB攝像機,其結果是功能強大的全自動硬度測試系統。這些系統可以單獨使用,以自動創建,測量和報告幾乎無限數量的壓痕行程。



硬度測試在材料測試,質量控制和組件驗收中起著重要作用。我們依靠數據來驗證熱處理,結構完整性和組件的質量,以確定材料是否具有其預期用途所必需的性能。多年來,通過改進傳統的測試設計來建立提高生產率和效率的測試手段的方法已被新的**方法所取代,這些方法比以往任何時候都更有效地執行和解釋硬度測試。結果是提高了能力並增強了對“讓儀器完成工作”的依賴性,從而極大地提高了生產率和一致性,並繼續使硬度測試在工業和R&R中非常有用


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