楊 潔, 王 波, 管躍峰, 謝軼倫

(弈鎂(上海)貿(mào)易有限公司, 上海 201315)

現(xiàn)代硬度測試設備的新功能拓展

楊 潔, 王 波, 管躍峰, 謝軼倫

(弈鎂(上海)貿(mào)易有限公司, 上海 201315)

隨著科學技術的發(fā)展，現(xiàn)代硬度測試設備在測量準確度、自動化水平、使用便捷程度等方面均較傳統(tǒng)設備有了顯著的提升。從表面硬化層的硬度測試、大批量樣品的硬度測試以及其他特殊要求的硬度測試等幾個常見應用方面，介紹了當前新型硬度計產(chǎn)品上出現(xiàn)的一些新穎、智能化的功能拓展及檢測便捷之處，以期有助于廣大同行了解硬度測試設備功能的最新發(fā)展趨勢，并為選購優(yōu)質(zhì)高效的硬度計產(chǎn)品提供參考。

硬度計；新功能;硬化層測試；大批量樣品檢測；智能化

金屬材料因化學成分和熱處理工藝的不同，其顯微組織和力學性能會存在很大的差異，其中包括硬度的差別[1-7]。在工程實踐中，材料硬度測試因為技術意義直觀、操作簡便，廣泛應用于檢測金屬零部件性能、檢驗熱處理工藝效果、研制新材料等[1-7]。金屬硬度檢測主要有兩類試驗方法，即動態(tài)試驗法和靜態(tài)試驗法。其中動態(tài)試驗方法主要用于大型不可移動的工件的檢測，而靜態(tài)試驗方法主要用于實驗室檢測。靜態(tài)試驗方法又包括布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度、努氏硬度、韋氏硬度、巴氏硬度等，其中布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度3種試驗方法應用最為廣泛，是金屬材料硬度檢測的主要試驗方法。

近年來，隨著制造業(yè)的飛速發(fā)展，對產(chǎn)品質(zhì)量的要求不斷提高，硬度測試作為評定金屬材料力學性能最常用的技術，在數(shù)值檢測準確性、自動化程度和操作便捷性等方面的要求也不斷提高。硬度檢測技術標準要求的提高，對硬度檢測設備功能配置的要求也相應越來越高。筆者主要對硬度計在上述諸方面的功能拓展進行簡要介紹，以供參考。

1 硬度法檢測硬化層技術的性能拓展

表面熱處理技術是汽車等重要機械零部件最常用的強化技術，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韌性，從而滿足工件承受復雜高循環(huán)載荷的服役要求。常用表面熱處理強化技術有滲碳、滲氮、碳氮共滲、表面感應淬火等。硬度法檢測硬化層技術包括表面硬度檢測、滲層硬度梯度檢測和硬化層深度測量等內(nèi)容，相應檢測標準對測試結(jié)果的準確性要求較高。對零部件生產(chǎn)廠家而言，由于檢測樣品數(shù)量大，準確、快速、高效地完成硬化層檢測是硬度檢測設備功能改進的重要內(nèi)容。

1.1 全景相機低倍大視場和超大視場掃描拼接功能

當使用硬度法檢測硬化層深度時，需快速、精準地找到起始點的位置。普通硬度計只能看到很小的樣品區(qū)域 (例如某品牌硬度計5倍物鏡下的視場范圍約為2 mm×1 mm)，因此尋找樣品起始點位置需要花費很長時間。某高端硬度計上配備了全景相機，其視場范圍可達43 mm×54 mm，因此可以一目了然地看到樣品全貌，快速找到硬度測試起始點的位置，即點哪里選哪里，從而實現(xiàn)快速、精準定位，如圖1所示。

圖1 某品牌硬度計全景相機視場范圍形貌Fig.1 Field range image of a hardness tester equiped with panoramic camera

圖2 焊接接頭樣品分區(qū)掃描后金相圖片F(xiàn)ig.2 Metallographic images of a weld joint specimen after partition scanning

對于一些檢測范圍超大的樣品如焊接接頭樣品，或一些復雜形狀的樣品如復雜焊接接頭樣品，即使全景相機43 mm×54 mm的視場范圍也無法涵蓋樣品的全貌。某新型硬度計具有掃描拼接功能，可以將整個樣品先分區(qū)獲得金相圖像，然后通過掃描拼接的方式得到樣品的金相全貌圖，如圖2所示。對于此類零件進行硬度測試時，測試點的位置多而復雜，如果無法看到樣品全貌，定位測試點將是一個非常耗時間的操作，此時可以通過分區(qū)掃描拼接功能方便地獲得樣品全貌圖像，如圖3所示，從而輕松定位測試位置，大大提高檢測效率。

圖3 焊接接頭樣品拼接后金相圖片F(xiàn)ig.3 Metallographic image of a weld joint specimen after mosaicking

1.2 10 M像素彩色全景攝像頭

有些高端品牌硬度計配備了10 M萬像素攝像頭，可實現(xiàn)彩色整體成像，樣品呈現(xiàn)更接近肉眼所見的真實顏色，從而提供更多的樣品細節(jié)信息。對于測試截面由多種不同顏色材料組成的樣品或單個零件截面具有不同顏色的相時，彩色圖片更容易識別圖像細節(jié)，如圖4所示是一組細小零件經(jīng)夾持、鑲嵌、磨拋后的黑白和彩色圖像的效果對比。圖5是1.3 M像素和10 M像素的圖像效果對比，可見10 M像素全景攝像頭可以得到更為高清的圖像，不僅看到的樣品范圍更大，而且可以更清晰地觀察樣品的表面情況。

圖4 黑白(左)和彩色(右)全景圖像對比Fig.4 Comparision of the overview image under black-white camera (left) and color camera (right)

圖5 1.3 M像素(左)和10 M像素(右)視場分辨率對比Fig.5 Comparison of the field resolution under 1.3 M pixels (left) and 10 M pixels (right)

1.3 歸一化處理基體硬度的滲氮層深度測試功能

根據(jù)GB/T 11354-2005《鋼鐵零件滲氮層深度測定和金相組織檢驗》，滲氮層深度為從試樣表面測至比基體維氏硬度高50 HV處的垂直距離。但是因為顯微硬度是在高倍視場、小載荷條件下測試獲得的，與常規(guī)的布氏硬度和洛氏硬度相比，測試結(jié)果受顯微組織差異的影響較大，因而硬度測試偏差較大。同一樣品多個部位測試顯微硬度梯度曲線時，不同基體硬度測試值給準確有效判別樣品整體滲氮層深度帶來困惑。一些新型硬度計的附加功能可以在基體處(至少大于3倍滲氮層深度)測得多點硬度，通過統(tǒng)計歸一化處理獲得基體硬度的平均值作為所有滲氮層深度測試的基體硬度，從而可以減小小載荷測試誤差，使由多條滲氮層硬度梯度測試線測得的滲氮層深度數(shù)值更為可靠，而且可以進行相對比較，如圖6所示。當然，每條滲氮層硬度梯度測試線也可以使用各自的基體硬度，以滿足不同的測試要求。

圖6 兩條滲氮層硬度梯度測試線共用同一基體硬度示意Fig.6 Illustration of two nitride hardness gradient rows using the same matrix hardness

1.4 樣品表面水平平面度顏色標識

硬度測試過程中，要保證壓頭加載方向與樣品表面垂直。否則，壓痕會發(fā)生畸變，兩對角線長度偏差會增大，如果兩對角線長度偏差超過規(guī)定值(詳見ISO 6507-1:2005和ASTM E384-16)，則測試結(jié)果不可靠，需要在測試報告中明確標出。針對這一要求，一些新型高端硬度計的附加功能可根據(jù)樣品表面水平平面度實現(xiàn)顏色標識效果，如圖7和圖8所示。使用該功能可以在測試之前判斷出樣品表面是否處于水平平面狀態(tài)，避免出現(xiàn)不可靠的測試結(jié)果。

圖7 顏色標識功能下完善的水平平面形貌Fig.7 Good flat suface image under color rendering function

圖8 顏色標識功能下不平的表面形貌Fig.8 Un-flat surface image under color rendering function

圖9 水平平面正常壓痕測試結(jié)果顯示Fig.9 Result display for normal indent on flat surface

圖10 不對稱壓痕測試結(jié)果警示(見右上角放大圖)Fig.10 Result warning for asymmetric indent(see up-right large view)

該軟件同時還具有壓痕對稱性判別功能，如圖9和圖10所示。從圖10可以看出，由于樣品制備或操作不恰當，導致測試完成后，兩壓痕對角線長度偏差超過標準規(guī)定值，此時該附加功能軟件會自動給出標識，予以警示。

1.5 高精度全自動xy坐標測試臺

硬化層深度全自動測試對測試臺的精度要求較高。如果定位不準確，會導致硬化層深度判斷錯誤。一些新型硬度設備的自動測試臺使用光柵定位，分辨率為0.5 μm，而且無累計誤差，大大提高了定位精度，有效保證了測試結(jié)果的準確性和可靠性，如圖11所示。

圖11 高精度光柵定位的自動xy坐標測試臺Fig.11 Motorized xy coordinates test platform with high precison glass scale

2 大批量樣品測試功能

2.1 多樣品測試程序

當樣品測試量很大時，即使使用了全自動硬度測試設備，操作人員還是需要對樣品依次進行測試，無法進一步提高檢測效率。一些新型硬度測試設備增加了多樣品測試功能，即可以同時測試多個樣品，如圖12所示，一臺硬度設備可以同時測試12個樣品；而且，按照每個樣品測試要求可以分別選用針對性的測試程序，大大節(jié)省了測試時間。

圖12 同時測試12個樣品的硬度計Fig.12 Hardness tester handling samples up to 12 pieces

2.2 模板功能

為了實現(xiàn)對測試技術要求機同的大批量相同樣品的快速測試，某新型硬度測試設備設計了附加“模板”測試功能，即將該設定的測試程序另存為“模板”，當測試相同樣品時，只需對齊工件的參考線和基準即可以開始測試，省去了尋找起始點的時間，可大大提高檢測效率，如圖13所示。

圖13 某品牌硬度計軟件的模板功能示意Fig.13 Illustration of pattern function of a hardness tester software

2.3 通過掃描條形碼實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)的輸入

對于自動化程度要求較高的企業(yè)，希望從控制中心對硬度設備進行控制，例如指令數(shù)據(jù)的輸入、樣品信息的輸入等。一些新型硬度設備增加了掃描條形碼的功能，將指令數(shù)據(jù)和試驗計劃從中心控制系統(tǒng)直接下載到硬度計上，從而避免人工輸入樣品信息的錯誤，同時提高檢測效率，如圖14所示。

圖14 某品牌硬度計軟件的掃碼功能示意Fig.14 Illustration of bar coder scanning function of a hardness tester saftware

2.4 硬度測試數(shù)據(jù)的連接及傳遞

對自動化程度要求較高的企業(yè)，希望硬度設備完成測試后，將測試數(shù)據(jù)直接上傳至所用的軟件當中，例如Q-DAS軟件。針對越來越多的諸如此類的應用，一些高端硬度設備可以從上位機管理系統(tǒng)中得到所有的試驗指令和計劃，在試驗完成后，連同試驗結(jié)果一同發(fā)回管理系統(tǒng)。文件是開放的，可適應任何的系統(tǒng)，如圖15所示。

圖15 某品牌硬度計軟件的數(shù)據(jù)連接功能示意Fig.15 Illustration of data connection function of a hardness tester software

3 特殊硬度測試新功能

3.1 硬度2D/3D分布圖

樣品或樣品某一局部區(qū)域硬度的二維/三維(2D/3D)分布圖對研究材料組織、檢驗焊接質(zhì)量及進行失效分析等都是有效的工具性指標，分析獲得熱處理零件表面硬度分布是實現(xiàn)該功能的基本技術要求。某些高端硬度設備具備此功能，有些硬度測試設備具有提供硬度2D分布圖功能，少數(shù)硬度設備還可同時提供硬度2D和3D分布圖功能，如圖16所示。

3.2 壓頭旋轉(zhuǎn)功能

圖17 ASTM E384-16對壓痕間距及壓痕到樣品邊緣距離的要求Fig.17 Distance requirement between indentations and indentation to edge in ASTM E384-16

各種硬度測試標準都明確規(guī)定了壓痕間距及壓痕到樣品邊緣最小距離，如圖17所示。對于硬脆的表面薄層，適合用努氏硬度技術測試，詳見ASTM E384-16，操作要求壓痕的長對角線方向與鍍層邊緣處于平行狀態(tài)。 對于一些形狀復雜的鍍層，每測試一點，都需要調(diào)整樣品的位置滿足兩者平行要求，如果要沿著鍍層測試一圈，這將花費很多時間，并且壓痕到邊界的距離有控制誤差，導致測試結(jié)果波動較大。目前，某新型硬度計實現(xiàn)了具有專利技術的壓頭旋轉(zhuǎn)功能，即根據(jù)樣品輪廓壓頭可自動旋轉(zhuǎn)保證所測壓痕長對角線方向與鍍層邊緣平行，無需手動調(diào)整樣品位置，防止手工操作誤差，提高檢測效率并有效保證測試位置一致，如圖18所示。

圖18 某品牌硬度計壓頭旋轉(zhuǎn)功能示意Fig.18 Illustration of penetrator turnable function of a hardness tester

4 結(jié)束語

以上列舉了目前一些高端品牌硬度計拓展開發(fā)的新型功能。隨著技術的進步，會出現(xiàn)越來越多新的測試要求，硬度測試設備相應的先進測試功能也會隨之出現(xiàn)，或者會出現(xiàn)新的測試方法。不管硬度設備如何發(fā)展，準確、高效、便捷是硬度測試技術發(fā)展之根本要求。

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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

楊 潔(1980-)，女，博士，主要從事硬度檢測和元素分析設備的技術支持工作

謝軼倫(1977-)，男，碩士,主要從事分析測試技術管理工作，allan.xie@ez-mat.com

TH873.5; TG115.5+1

A

1001-4012(2017)06-0382-05