现代硬度测试设备的新功能拓展

杨 洁, 王 波, 管跃峰, 谢轶伦

(弈镁(上海)贸易有限公司, 上海 201315)

现代硬度测试设备的新功能拓展

杨 洁, 王 波, 管跃峰, 谢轶伦

(弈镁(上海)贸易有限公司, 上海 201315)

随着科学技术的发展，现代硬度测试设备在测量准确度、自动化水平、使用便捷程度等方面均较传统设备有了显著的提升。从表面硬化层的硬度测试、大批量样品的硬度测试以及其他特殊要求的硬度测试等几个常见应用方面，介绍了当前新型硬度计产品上出现的一些新颖、智能化的功能拓展及检测便捷之处，以期有助于广大同行了解硬度测试设备功能的最新发展趋势，并为选购优质高效的硬度计产品提供参考。

硬度计；新功能;硬化层测试；大批量样品检测；智能化

金属材料因化学成分和热处理工艺的不同，其显微组织和力学性能会存在很大的差异，其中包括硬度的差别[1-7]。在工程实践中，材料硬度测试因为技术意义直观、操作简便，广泛应用于检测金属零部件性能、检验热处理工艺效果、研制新材料等[1-7]。金属硬度检测主要有两类试验方法，即动态试验法和静态试验法。其中动态试验方法主要用于大型不可移动的工件的检测，而静态试验方法主要用于实验室检测。静态试验方法又包括布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、努氏硬度、韦氏硬度、巴氏硬度等，其中布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度3种试验方法应用最为广泛，是金属材料硬度检测的主要试验方法。

近年来，随着制造业的飞速发展，对产品质量的要求不断提高，硬度测试作为评定金属材料力学性能最常用的技术，在数值检测准确性、自动化程度和操作便捷性等方面的要求也不断提高。硬度检测技术标准要求的提高，对硬度检测设备功能配置的要求也相应越来越高。笔者主要对硬度计在上述诸方面的功能拓展进行简要介绍，以供参考。

1 硬度法检测硬化层技术的性能拓展

表面热处理技术是汽车等重要机械零部件最常用的强化技术，使零部件表面具有高的硬度和耐磨性，而心部仍保持良好的塑性和韧性，从而满足工件承受复杂高循环载荷的服役要求。常用表面热处理强化技术有渗碳、渗氮、碳氮共渗、表面感应淬火等。硬度法检测硬化层技术包括表面硬度检测、渗层硬度梯度检测和硬化层深度测量等内容，相应检测标准对测试结果的准确性要求较高。对零部件生产厂家而言，由于检测样品数量大，准确、快速、高效地完成硬化层检测是硬度检测设备功能改进的重要内容。

1.1 全景相机低倍大视场和超大视场扫描拼接功能

当使用硬度法检测硬化层深度时，需快速、精准地找到起始点的位置。普通硬度计只能看到很小的样品区域 (例如某品牌硬度计5倍物镜下的视场范围约为2 mm×1 mm)，因此寻找样品起始点位置需要花费很长时间。某高端硬度计上配备了全景相机，其视场范围可达43 mm×54 mm，因此可以一目了然地看到样品全貌，快速找到硬度测试起始点的位置，即点哪里选哪里，从而实现快速、精准定位，如图1所示。

图1 某品牌硬度计全景相机视场范围形貌Fig.1 Field range image of a hardness tester equiped with panoramic camera

图2 焊接接头样品分区扫描后金相图片Fig.2 Metallographic images of a weld joint specimen after partition scanning

对于一些检测范围超大的样品如焊接接头样品，或一些复杂形状的样品如复杂焊接接头样品，即使全景相机43 mm×54 mm的视场范围也无法涵盖样品的全貌。某新型硬度计具有扫描拼接功能，可以将整个样品先分区获得金相图像，然后通过扫描拼接的方式得到样品的金相全貌图，如图2所示。对于此类零件进行硬度测试时，测试点的位置多而复杂，如果无法看到样品全貌，定位测试点将是一个非常耗时间的操作，此时可以通过分区扫描拼接功能方便地获得样品全貌图像，如图3所示，从而轻松定位测试位置，大大提高检测效率。

图3 焊接接头样品拼接后金相图片Fig.3 Metallographic image of a weld joint specimen after mosaicking

1.2 10 M像素彩色全景摄像头

有些高端品牌硬度计配备了10 M万像素摄像头，可实现彩色整体成像，样品呈现更接近肉眼所见的真实颜色，从而提供更多的样品细节信息。对于测试截面由多种不同颜色材料组成的样品或单个零件截面具有不同颜色的相时，彩色图片更容易识别图像细节，如图4所示是一组细小零件经夹持、镶嵌、磨抛后的黑白和彩色图像的效果对比。图5是1.3 M像素和10 M像素的图像效果对比，可见10 M像素全景摄像头可以得到更为高清的图像，不仅看到的样品范围更大，而且可以更清晰地观察样品的表面情况。

图4 黑白(左)和彩色(右)全景图像对比Fig.4 Comparision of the overview image under black-white camera (left) and color camera (right)

图5 1.3 M像素(左)和10 M像素(右)视场分辨率对比Fig.5 Comparison of the field resolution under 1.3 M pixels (left) and 10 M pixels (right)

1.3 归一化处理基体硬度的渗氮层深度测试功能

根据GB/T 11354-2005《钢铁零件渗氮层深度测定和金相组织检验》，渗氮层深度为从试样表面测至比基体维氏硬度高50 HV处的垂直距离。但是因为显微硬度是在高倍视场、小载荷条件下测试获得的，与常规的布氏硬度和洛氏硬度相比，测试结果受显微组织差异的影响较大，因而硬度测试偏差较大。同一样品多个部位测试显微硬度梯度曲线时，不同基体硬度测试值给准确有效判别样品整体渗氮层深度带来困惑。一些新型硬度计的附加功能可以在基体处(至少大于3倍渗氮层深度)测得多点硬度，通过统计归一化处理获得基体硬度的平均值作为所有渗氮层深度测试的基体硬度，从而可以减小小载荷测试误差，使由多条渗氮层硬度梯度测试线测得的渗氮层深度数值更为可靠，而且可以进行相对比较，如图6所示。当然，每条渗氮层硬度梯度测试线也可以使用各自的基体硬度，以满足不同的测试要求。

图6 两条渗氮层硬度梯度测试线共用同一基体硬度示意Fig.6 Illustration of two nitride hardness gradient rows using the same matrix hardness

1.4 样品表面水平平面度颜色标识

硬度测试过程中，要保证压头加载方向与样品表面垂直。否则，压痕会发生畸变，两对角线长度偏差会增大，如果两对角线长度偏差超过规定值(详见ISO 6507-1:2005和ASTM E384-16)，则测试结果不可靠，需要在测试报告中明确标出。针对这一要求，一些新型高端硬度计的附加功能可根据样品表面水平平面度实现颜色标识效果，如图7和图8所示。使用该功能可以在测试之前判断出样品表面是否处于水平平面状态，避免出现不可靠的测试结果。

图7 颜色标识功能下完善的水平平面形貌Fig.7 Good flat suface image under color rendering function

图8 颜色标识功能下不平的表面形貌Fig.8 Un-flat surface image under color rendering function

图9 水平平面正常压痕测试结果显示Fig.9 Result display for normal indent on flat surface

图10 不对称压痕测试结果警示(见右上角放大图)Fig.10 Result warning for asymmetric indent(see up-right large view)

该软件同时还具有压痕对称性判别功能，如图9和图10所示。从图10可以看出，由于样品制备或操作不恰当，导致测试完成后，两压痕对角线长度偏差超过标准规定值，此时该附加功能软件会自动给出标识，予以警示。

1.5 高精度全自动xy坐标测试台

硬化层深度全自动测试对测试台的精度要求较高。如果定位不准确，会导致硬化层深度判断错误。一些新型硬度设备的自动测试台使用光栅定位，分辨率为0.5 μm，而且无累计误差，大大提高了定位精度，有效保证了测试结果的准确性和可靠性，如图11所示。

图11 高精度光栅定位的自动xy坐标测试台Fig.11 Motorized xy coordinates test platform with high precison glass scale

2 大批量样品测试功能

2.1 多样品测试程序

当样品测试量很大时，即使使用了全自动硬度测试设备，操作人员还是需要对样品依次进行测试，无法进一步提高检测效率。一些新型硬度测试设备增加了多样品测试功能，即可以同时测试多个样品，如图12所示，一台硬度设备可以同时测试12个样品；而且，按照每个样品测试要求可以分别选用针对性的测试程序，大大节省了测试时间。

图12 同时测试12个样品的硬度计Fig.12 Hardness tester handling samples up to 12 pieces

2.2 模板功能

为了实现对测试技术要求机同的大批量相同样品的快速测试，某新型硬度测试设备设计了附加“模板”测试功能，即将该设定的测试程序另存为“模板”，当测试相同样品时，只需对齐工件的参考线和基准即可以开始测试，省去了寻找起始点的时间，可大大提高检测效率，如图13所示。

图13 某品牌硬度计软件的模板功能示意Fig.13 Illustration of pattern function of a hardness tester software

2.3 通过扫描条形码实现远程数据的输入

对于自动化程度要求较高的企业，希望从控制中心对硬度设备进行控制，例如指令数据的输入、样品信息的输入等。一些新型硬度设备增加了扫描条形码的功能，将指令数据和试验计划从中心控制系统直接下载到硬度计上，从而避免人工输入样品信息的错误，同时提高检测效率，如图14所示。

图14 某品牌硬度计软件的扫码功能示意Fig.14 Illustration of bar coder scanning function of a hardness tester saftware

2.4 硬度测试数据的连接及传递

对自动化程度要求较高的企业，希望硬度设备完成测试后，将测试数据直接上传至所用的软件当中，例如Q-DAS软件。针对越来越多的诸如此类的应用，一些高端硬度设备可以从上位机管理系统中得到所有的试验指令和计划，在试验完成后，连同试验结果一同发回管理系统。文件是开放的，可适应任何的系统，如图15所示。

图15 某品牌硬度计软件的数据连接功能示意Fig.15 Illustration of data connection function of a hardness tester software

3 特殊硬度测试新功能

3.1 硬度2D/3D分布图

样品或样品某一局部区域硬度的二维/三维(2D/3D)分布图对研究材料组织、检验焊接质量及进行失效分析等都是有效的工具性指标，分析获得热处理零件表面硬度分布是实现该功能的基本技术要求。某些高端硬度设备具备此功能，有些硬度测试设备具有提供硬度2D分布图功能，少数硬度设备还可同时提供硬度2D和3D分布图功能，如图16所示。

3.2 压头旋转功能

图17 ASTM E384-16对压痕间距及压痕到样品边缘距离的要求Fig.17 Distance requirement between indentations and indentation to edge in ASTM E384-16

各种硬度测试标准都明确规定了压痕间距及压痕到样品边缘最小距离，如图17所示。对于硬脆的表面薄层，适合用努氏硬度技术测试，详见ASTM E384-16，操作要求压痕的长对角线方向与镀层边缘处于平行状态。 对于一些形状复杂的镀层，每测试一点，都需要调整样品的位置满足两者平行要求，如果要沿着镀层测试一圈，这将花费很多时间，并且压痕到边界的距离有控制误差，导致测试结果波动较大。目前，某新型硬度计实现了具有专利技术的压头旋转功能，即根据样品轮廓压头可自动旋转保证所测压痕长对角线方向与镀层边缘平行，无需手动调整样品位置，防止手工操作误差，提高检测效率并有效保证测试位置一致，如图18所示。

图18 某品牌硬度计压头旋转功能示意Fig.18 Illustration of penetrator turnable function of a hardness tester

4 结束语

以上列举了目前一些高端品牌硬度计拓展开发的新型功能。随着技术的进步，会出现越来越多新的测试要求，硬度测试设备相应的先进测试功能也会随之出现，或者会出现新的测试方法。不管硬度设备如何发展，准确、高效、便捷是硬度测试技术发展之根本要求。

[1] 徐峰,叶宇峰,夏立,等.加热炉Cr5Mo炉管材料性能分析及寿命预测[J].理化检验-物理分册,2013,49(7):422-426,440.

[2] 周刚,高长益,蔡晓霞.H08A焊丝钢拉拔断裂分析[J].理化检验-物理分册,2013,49(7):472-475,481.

[3] 汪海燕,孙宏,刘振伟,等.45钢模托开裂分析[J].理化检验-物理分册,2013,49(7):479-481,485.

[4] 涂建国,李晓玲,黄凤,等.风扇轴芯断裂原因分析[J].理化检验-物理分册,2014,50(7):503-506.

[5] 孙震,徐惟诚,陆海兵.B-HARD400 钢板自动火焰切割热影响区深度的判定[J].理化检验-物理分册,2015,51(4):243-247.

[6] 王淦刚,刘天佐,尚建路,等.T91/TP347HFG 异种钢焊接接头裂纹原因分析[J].失效分析与预防,2015,10(1):51-56.

[7] 刘晶,张立新,白皓,等.发动机带管路液压作动筒裂纹分析[J].失效分析与预防,2014,9(3):178-182.

New Functional Progresses of Modern Hardness Testers

YANG Jie, WANG Bo, GUAN Yuefeng, XIE Yilun

(EZ-Mat (Shanghai) Co., Ltd., Shanghai 201315, China)

With the development of science and technology, the test accuracy, automation level, ease of use, etc. of the hardness testing equipments have been greatly improved. Some of the new and smart features of the hardness testers in hardened layer test, multiple samples test as well as some special testing requirements were introduced, and the benefits and conveniences of each feature were also illustrated. It is expected that these features could give a general idea of the future trend of hardness testers and provide reference for the purchase of high quality hardness testers.

hardness tester; new function; hardened layer test; multiple samples test; intelligence

10.11973/lhjy-wl201706002

2017-02-27

杨 洁(1980-)，女，博士，主要从事硬度检测和元素分析设备的技术支持工作

谢轶伦(1977-)，男，硕士,主要从事分析测试技术管理工作，allan.xie@ez-mat.com

TH873.5; TG115.5+1

A

1001-4012(2017)06-0382-05