努氏硬度的特點分析及應用

吉靜 徐凌云 吳益文 李洪濤 楚民生

(上海出入境檢驗檢疫局 上海 200135)

1 前言

硬度是金屬材料力學中最常用的一個性能指標，它能在一定條件下敏感地反映出材料在化學成分、組織結構和處理工藝上的差異。常用的硬度測試方法有維氏、布氏、洛氏和努氏方法。在我國，維氏硬度的應用相當廣泛，因為與布氏、洛氏硬度相比，維氏硬度有其明顯的特點：雖然檢測力不同，但測出的硬度值并不改變［1］;它可以以幾克的微載荷測試極薄的表面硬化層的硬度及檢驗微區(qū)缺陷［2－4］。而努氏硬度因其特有的壓痕形狀又比維氏硬度的測試更勝一籌，它的高測試精度為其他方法所不及，在國外已得到廣泛使用。努氏硬度對于材料物理特性的研究，特別是各向異性材料的彈塑性研究有著至關重要的作用［5－6］，被廣泛應用于小型精密件的硬度測試［7］，如銼刀齒尖、齒輪齒尖、手表擺輪擺軸軸尖、刀片刃口、醫(yī)用注射針等小型產品及零部件的硬度，還被廣泛應用于復合材料結合能的測試［8－10］。

2 努氏硬度測試原理［11］

努氏硬度是以美國的發(fā)明人Knoop而命名，在我國和顯微維氏硬度一起被列為小負荷硬度測試，也可稱其為顯微硬度。

努氏硬度測試原理是：將頂部兩棱之間的α角為172.5°和β角為130°的棱錐體金剛石壓頭用規(guī)定的檢測力壓入試樣表面，經過一定的保持時間后卸除檢測力，檢測力除以試樣表面的壓痕投影面積之商即為努氏硬度。努氏壓頭形狀和壓痕面積投影如圖1和圖2所示。

圖1 努氏硬度壓頭示意圖

圖2 努氏硬度壓痕

式中：HK——努氏硬度符號;

F——檢測力，單位N;

d——壓痕長對角線長度，單位為mm;

c——壓頭常數，與用長對角線長度平方計算的壓痕投影面積相關

3 努氏硬度與顯微維氏硬度之間的關系

努氏硬度測試與顯微維氏硬度測試一樣，使用較小的力以特殊形狀的壓頭進行試驗，測量壓痕對角線求得硬度值，兩者之間既有相似點又有不同點。

3.1 努氏硬度和顯微維氏硬度之間的相似點

努氏硬度測試和顯微維氏硬度測試都是選用一定形狀的金剛石壓頭和確定的面角，這樣一定硬度材料的F/d2是一常數。當檢測力改變時，壓痕面積與壓痕對角線長度d2成正比關系。因此，在努氏和顯微維氏硬度測試中，對于硬度均勻的材料可以任意選擇檢測力，其壓痕均具有“幾何相似”的規(guī)律性，即測量的硬度值不隨檢測力的變化而變化。

3.2 努氏硬度和顯微維氏硬度之間的不同點

(1)努氏硬度測試由于采用特殊形狀的壓頭，其壓痕長對角線長度為短對角線的7.11倍;與相同檢測力的顯微維氏硬度測試壓痕相比，其壓痕長對角線長度是顯微維氏硬度壓痕長對角線的2.77倍。這樣，同一試樣在同一檢測力下，努氏硬度壓痕尺寸比顯微維氏硬度壓痕尺寸大得多，而且只需測量長對角線。因此，努氏硬度的測量精度比較高。

(2)努氏硬度壓痕深度為其長對角線長度的1/30，維氏硬度為1/7。相同硬度、相同檢測力時，努氏硬度壓痕深度約是維氏硬度壓痕深度的一半(0.599)。這樣，努氏硬度與維氏硬度相比，測試相同厚度的薄表面硬化層硬度時，努氏硬度的檢測力可以增加一級至二級，相應地還能提高測量的精度;相同檢測力下要求的試樣最小厚度，后者要比前者大1.6倍。因此，努氏硬度更適合于測試極薄的表面硬化層和鍍層的硬度。

4 努氏硬度的應用

4.1 材料物理特性的研究

由于努氏硬度壓痕為長扁狀的菱形，可以用來比較大變形材料或不同方向性能差異較大材料的縱向與橫向的硬度或彈性的高低。因此，努氏硬度對材料物理特性的研究，特別是各向異性材料的彈塑性研究，對材料科學及加工工藝的研究有著至關重要的作用［15－16］。

4.2 材料彈性的研究

努氏硬度的壓痕為長扁狀的菱形，卸載后，幾乎只有菱形壓痕的短對角線會因彈性恢復有所變化，而長對角線基本保持不變。根據壓痕短對角線對應長對角線的恢復尺寸，還可以相對比較金屬材料的彈性高低。通常用恢復前、后努氏硬度相對差值的百分數來比較材料的彈性高低，如果用ω來表示材料的相對彈性比較值，L為壓痕長對角線長度，H0、H分別為恢復前、后短對角線長度，HK0、HK分別為恢復前、后努氏硬度值，則可得到如下關系式［13］：

ω可以用來比較材料的彈性。

4.3 生產測試及工藝研究

4.3.1 小型精密件、薄型材料和線材料的硬度測試

如銼刀齒尖、齒輪的齒尖、手表擺輪擺軸軸尖、刀片刃口、醫(yī)用注射針等小型產品及零部件的硬度測試。壓痕深度淺，所測材料可以薄到0.025 mm［7］。

4.3.2 表面硬化層、覆蓋層深度的測試

對材料進行表面硬化處理，確定合理的熱處理工藝，努氏硬度測試是最理想的方法之一［17－19］。

4.3.3 復合材料表面結合能的測定

目前，用壓痕法評價高強界面涂層結合性能已引起國內外重視，許多研究報告表明這是一種評定高強界面涂層結合性能很有希望的途徑。如：法國Lesage等［20］一段時期以來持續(xù)研究用壓痕法評價涂層的結合性能，雖然尚未明確闡明其物理意義，但這是一個比較基體與涂層之間阻力的試驗;維也納大學的Wang［21］用二維方法分析了中間層的應力分布和塑性變形;我國易茂中等［22］研制成功了涂層壓入儀，可測得界面開裂時的臨界載荷。國內外的研究情況表明，界面印痕裂紋法是評價高強涂層界面結合性能測量可行性較大、應用范圍較廣的一種方法。努氏硬度壓痕形狀有更加尖銳的施力角，有利于應力集中和界面裂紋的形成及開裂，并可減弱界面縱向應力效應［8，9，23］。

4.3.4 適合脆性材料的測試

脆性材料在努氏硬度測試時，裂紋產生部位大多在短對角線兩側，一般不太影響長對角線的測量。因此，努氏硬度試驗法特別適用于對陶瓷和牙科材料［5，24，25］等脆性材料進行質量評定。

4.3.5 探測表面缺陷

由于努氏硬度壓痕很淺，所以對試樣表面特別敏感，可以用來探測試樣表面可疑的缺陷，如表面的灼傷區(qū)、軟化區(qū)、硬化變形傷痕以及表面處理的不均勻區(qū)和其他缺陷［26］。

5 小結

努氏硬度作為顯微硬度的一種，具有高精度性。對于材料物理特性的研究，特別是各向異性材料的彈塑性研究起著至關重要的作用;它特別適于測試硬而脆的材料，常被用于測試琺瑯、玻璃、人造金剛石、金屬陶瓷及礦物等材料;它還可用于表面硬化層有效深度的測定，用于細小零件、小面積、薄材料、細線材、刀刃附近的硬度、電鍍層硬度的測試。隨著科技的發(fā)展，努氏硬度將被應用于更多復合材料和單晶材料等新型材料的性能測試，在科研和生產中必將發(fā)揮越來越重要的作用。

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