努氏硬度试验原理及其应用

2011-09-07史济来田少岗江苏省计量科学研究院

上海计量测试 2011年5期

史济来田少岗/江苏省计量科学研究院

0 引言

努氏硬度计、努氏硬度块检定规程业已颁布实施，这是我国硬度计量工作者及相关材料工艺研究人员期盼已久的一件大事，它为我国特种材料特别是航天航空材料的进口验收、质量评定和国际间的交流提供了计量技术法规，可喜可贺。为了使从事这一项目的同行有更多的了解，笔者就多年来的点滴体会作简单介绍，以供参考。

1 努氏硬度试验原理

努氏硬度是以发明人美国的Knoop命名的。过去又称克氏硬度、克努普硬度、努普硬度，在我国列为小负荷硬度试验，也可称其为显微硬度。它与显微维氏硬度试验一样，使用较小的力以特殊形状的压头进行试验，测量压痕对角线求得硬度值。努氏硬度试验原理：将顶部两棱之间的α角为172.5°和β角为130°的棱锥体金刚石压头用规定的试验力压入试样表面，经一定的保持时间后卸除试验力（图1）。试验力除以试样表面的压痕投影面积之商即为努氏硬度。计算公式如下：

式中：HK — 努氏硬度符号；

F — 试验力，N；

S — 压痕投影面积，mm2；

d — 压痕长对角线长度，mm；

图1 努氏硬度试验原理

2 努氏试验的特点

1）由于使用压头的特殊形状如图2所示，试验时能产生长短对角线为7 : 1的棱形压痕。原理规定只测量长对角线长度，具有较高的测量准确度。图中AC为长对角线，BE为短对角线，OD为压痕深度，∠ADC=172.5°，∠BDE=130°。

图2 努氏硬度压痕形状

2）努氏硬度试验的压痕压入深度只有长对角线长度的1/30，维氏硬度试验的压痕压入深度为对角线长度的1/7，所以努氏硬度试验适用于表层硬度和薄件的硬度测试。

3）同一试样在同一负荷下，努氏硬度压痕对角线长度约为维氏硬度压痕对角线长度的3倍，大大优于维氏测量法。

4）努氏硬度试验适合脆性材料的测试。脆性材料在努氏硬度测试时，裂纹产生部位大多在短对角线两侧，一般不太影响长对角线的测量。

5）在一定范围内，试验所测得的硬度值与施加的负荷无关，硬度值有较好的相似性。如图3所示，在0.49 N（50 gf）以上时，硬度值变化趋于恒定。所以进行硬度试验时，如果条件允许，尽量选择大一级的负荷。在标明硬度值时，一定要在硬度符号底角加注使用负荷。如400 HK 0.1即表明在0.98 N负荷下硬度值为400。

图3 努氏硬度与负荷的关系

3 努氏硬度试验法的应用

自1939年Knoop发明了这种方法，努氏硬度试验受到了广泛的应用，我国努氏硬度量值溯源关系完善后，为这种方法的运用开辟了广阔的前景。

3.1 材料物理特性

特别是各向异性材料的弹塑性研究，对材料科学及加工工艺的研究起着至关重要的作用。

3.2 生产测试及工艺

1）小型精密件的硬度测试。如锉刀齿尖、齿轮的齿尖、手表摆轮摆轴轴尖、刀片刃口、医用注射针等小型产品及零部件的硬度测试（图4）。

图4 注射针努氏硬度测试示意

2）薄型材料和线材料的硬度测试。由于努氏硬度试验使用的负荷小，压痕深度浅，所测材料可以薄到0.025 mm。

3）表面硬化层深度的测试。对材料进行表面硬化处理，确定合理的热处理工艺，努氏硬度试验是最理想的方法之一（图5）。

图5 渗碳层的努氏硬度梯度（9.8 N）

4）材料组织结构的硬度鉴别。材料经热处理后，显微组织、钢中碳化物发生什么变化，借助这种方法优于其他硬度试验法。

5）脆性材料的硬度测试。努氏硬度试验法特别适用于对人造宝石、水晶、玻璃、玛瑙、口腔材料等脆性材料进行质量评定。笔者多年前曾用维氏法和努氏法对人造红宝石进行了大量试验，成功找出了这种脆性材料机械性能的规律及质量评定方法，也确定了努氏法在这些材料测试中的优越地位，得到国内同行的认可和好评。维氏法和努氏法的压痕如图6和图7所示。两种试验结果见表1。