努氏硬度試驗(yàn)原理及其應(yīng)用

史濟(jì)來 田少崗/江蘇省計(jì)量科學(xué)研究院

0 引言

努氏硬度計(jì)、努氏硬度塊檢定規(guī)程業(yè)已頒布實(shí)施，這是我國硬度計(jì)量工作者及相關(guān)材料工藝研究人員期盼已久的一件大事，它為我國特種材料特別是航天航空材料的進(jìn)口驗(yàn)收、質(zhì)量評定和國際間的交流提供了計(jì)量技術(shù)法規(guī)，可喜可賀。為了使從事這一項(xiàng)目的同行有更多的了解，筆者就多年來的點(diǎn)滴體會作簡單介紹，以供參考。

1 努氏硬度試驗(yàn)原理

努氏硬度是以發(fā)明人美國的Knoop命名的。過去又稱克氏硬度、克努普硬度、努普硬度，在我國列為小負(fù)荷硬度試驗(yàn)，也可稱其為顯微硬度。它與顯微維氏硬度試驗(yàn)一樣，使用較小的力以特殊形狀的壓頭進(jìn)行試驗(yàn)，測量壓痕對角線求得硬度值。努氏硬度試驗(yàn)原理：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)定的試驗(yàn)力壓入試樣表面，經(jīng)一定的保持時間后卸除試驗(yàn)力（圖1）。試驗(yàn)力除以試樣表面的壓痕投影面積之商即為努氏硬度。計(jì)算公式如下：

式中：HK — 努氏硬度符號；

F — 試驗(yàn)力，N；

S — 壓痕投影面積，mm2；

d — 壓痕長對角線長度，mm；

圖1 努氏硬度試驗(yàn)原理

2 努氏試驗(yàn)的特點(diǎn)

1）由于使用壓頭的特殊形狀如圖2所示，試驗(yàn)時能產(chǎn)生長短對角線為7 : 1的棱形壓痕。原理規(guī)定只測量長對角線長度，具有較高的測量準(zhǔn)確度。圖中AC為長對角線，BE為短對角線，OD為壓痕深度，∠ADC=172.5°，∠BDE=130°。

圖2 努氏硬度壓痕形狀

2）努氏硬度試驗(yàn)的壓痕壓入深度只有長對角線長度的1/30，維氏硬度試驗(yàn)的壓痕壓入深度為對角線長度的1/7，所以努氏硬度試驗(yàn)適用于表層硬度和薄件的硬度測試。

3）同一試樣在同一負(fù)荷下，努氏硬度壓痕對角線長度約為維氏硬度壓痕對角線長度的3倍，大大優(yōu)于維氏測量法。

4）努氏硬度試驗(yàn)適合脆性材料的測試。脆性材料在努氏硬度測試時，裂紋產(chǎn)生部位大多在短對角線兩側(cè)，一般不太影響長對角線的測量。

5）在一定范圍內(nèi)，試驗(yàn)所測得的硬度值與施加的負(fù)荷無關(guān)，硬度值有較好的相似性。如圖3所示，在0.49 N（50 gf）以上時，硬度值變化趨于恒定。所以進(jìn)行硬度試驗(yàn)時，如果條件允許，盡量選擇大一級的負(fù)荷。在標(biāo)明硬度值時，一定要在硬度符號底角加注使用負(fù)荷。如400 HK 0.1即表明在0.98 N負(fù)荷下硬度值為400。

圖3 努氏硬度與負(fù)荷的關(guān)系

3 努氏硬度試驗(yàn)法的應(yīng)用

自1939年Knoop發(fā)明了這種方法，努氏硬度試驗(yàn)受到了廣泛的應(yīng)用，我國努氏硬度量值溯源關(guān)系完善后，為這種方法的運(yùn)用開辟了廣闊的前景。

3.1 材料物理特性

特別是各向異性材料的彈塑性研究，對材料科學(xué)及加工工藝的研究起著至關(guān)重要的作用。

3.2 生產(chǎn)測試及工藝

1）小型精密件的硬度測試。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(chǎn)品及零部件的硬度測試（圖4）。

圖4 注射針努氏硬度測試示意

2）薄型材料和線材料的硬度測試。由于努氏硬度試驗(yàn)使用的負(fù)荷小，壓痕深度淺，所測材料可以薄到0.025 mm。

3）表面硬化層深度的測試。對材料進(jìn)行表面硬化處理，確定合理的熱處理工藝，努氏硬度試驗(yàn)是最理想的方法之一（圖5）。

圖5 滲碳層的努氏硬度梯度（9.8 N）

4）材料組織結(jié)構(gòu)的硬度鑒別。材料經(jīng)熱處理后，顯微組織、鋼中碳化物發(fā)生什么變化，借助這種方法優(yōu)于其他硬度試驗(yàn)法。

5）脆性材料的硬度測試。努氏硬度試驗(yàn)法特別適用于對人造寶石、水晶、玻璃、瑪瑙、口腔材料等脆性材料進(jìn)行質(zhì)量評定。筆者多年前曾用維氏法和努氏法對人造紅寶石進(jìn)行了大量試驗(yàn)，成功找出了這種脆性材料機(jī)械性能的規(guī)律及質(zhì)量評定方法，也確定了努氏法在這些材料測試中的優(yōu)越地位，得到國內(nèi)同行的認(rèn)可和好評。維氏法和努氏法的壓痕如圖6和圖7所示。兩種試驗(yàn)結(jié)果見表1。

圖6 人造寶石維氏壓痕示意

圖7 人造寶石努氏壓痕示意

表1 努氏硬度與維氏硬度壓痕對照表

4 結(jié)束語

總之，努氏硬度試驗(yàn)法會很快在我國廣泛推廣應(yīng)用，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國際間交流的深入，這種方法會發(fā)揮很大的作用。