努氏硬度试验原理符号及试验装置概述

努氏硬度试验是显微硬度试验中的一种。努氏硬度试验方法在很小的试验力下对材料硬度进行测定,轻微的试验力所产生的压痕很小, 压痕深度很浅。根据这个特点, 努氏硬度试验方法可用于测定尺寸很小的零件硬度, 例如仪表零件、齿轮、轴尖、细丝等; 可测定薄件或薄层的硬度, 如刃口、镀层、扩散层等。另一重要用途是测定脆性物体如玻璃、宝石、矿物等材料的硬度, 并可作为金相学、金属学和金属物理方面的研究。为了准确反映上述材料硬度特性, 对此努氏硬度试验方法进行标准化十分必要。国际标准化组织前几年已建立了努氏硬度试验方法标准, 在金属努氏硬度试验方面目前有如下四个国际标准：
ISO4545-1993 金属材料　努氏硬度试验 

ISO4546-1993 金属材料　努氏硬度计的检验 

ISO4547-1993 金属材料　努氏硬度计用标准块的标定 

ISO10250-1994 金属材料　平面努氏硬度值表 

努氏硬度试验原理
努氏硬度试验原理与显微维氏硬度试验原理基本相同。即将金刚石压头压入试样表面, 保持一定时间后去除试验力, 测量压痕对角线长度。两种试验方法的区别是: 显微维氏硬度试验使用正四棱锥体金刚石压头, 而努氏硬度试验使用菱形锥体金刚石压头; 显微维氏硬度值是试验力除以压痕表面积所得的商, 而努氏硬度值是试验力除以压痕投影面积所得的商。 

努氏硬度试验方法标准中对试验原理描述如下: 将顶部两相对面具有规定角度的菱形锥体金刚石压头用试验力压入试样表面, 经规定保护时间后卸除试验力, 测量试样表面压痕长对角线的长度。 

由于努氏硬度试验中测量压痕长对角线长度, 因而比显微维氏硬度压痕测量误差要小, 而且在相同试验力下, 努氏硬度压痕比显微维氏压痕要浅, 更适于厚度很薄的材料硬度的测定。此外，由于努氏硬度压头为菱面锥体, 压入试样后, 经规定保持时间将试验力去除后弹性回复主要产生于短对角线方向, 长对角线方向的弹性回复很微弱, 可以忽略不计, 因而可测得无弹性回复影响的显微硬度, 故努氏硬度值是依据未经弹性回复的压痕投影面积计算的, 这就具有与显微维氏硬度不同的物理意义。 

努氏硬度硬度符号
努氏硬度用符号HK 表示, 与其他硬度表示顺序一样, 在HK 之前是硬度值, 在HK 后面有表示试验力的数值和试验力保持时间的数值。当试验力保持时间是常规的10 ～15s 时, 此表示可以省略, 如不在此范围, 则应表示出来。例如:640HK0.1 表示努氏硬度值为640, 所采用的试验力为0.9807N(0.9807N 是由原单位制0.1kgf 换算过来的, 为了使硬度符号简明直观, 力值仍标示以kgf 为单位的数值, 即0.1kgf) 。由于试验力保持时间是10 ～15s, 则上述符号不标注, 如试验力保持时间是20s, 则表示为640HK0.1/20 。 

努氏硬度试验装置
对于努氏硬度计的要求, 用单项指标衡量, 包括对试验力, 压头, 压痕测量装置的检查, 用综合指标衡量, 包括对硬度计的重复性误差和示值误差的检查。当检验前三项基本功能时, 称为直接检验法, 当检验后两项综合性能时, 称为间接检验法。间接检验法可以独立对使用中的硬度计定期检查。 

在直接校验中, 试验力, 压头, 压痕测量装置应满足如下要求：
1、试验力 
HK0.1-HK1 的试验力最大误差为   1%; 对大于HK0.01 而小于HK0.2 的试验力为   1.5%; 对小于或等于HK0.01 的试验力为   2.0% 。 

对于硬度计工作范围内所使用的每一个试验力( 表2) 应在接近试验过程中主轴行程极限不少于两个位置上测量。 

2、压头 
努氏硬度试验标准引用了GBPT18449.2-2001 中对努氏硬度压头的规定:  

a) 压头应是具有菱形基面的金刚石棱锥体, 四个面应抛光且无表面缺陷。 

b) 压头相对棱间α角为172.5     0.1   , β角为130     0.1  。 

c) 金刚石锥体轴线与压头柄轴线间的夹角应不超过0.5   , 相对面间任一交线长度应小于1 μ m 。 

3、压痕测量装置 
努氏硬度对压痕测量装置的要求在GBPT18449.2-2001 中已有规定, 即:  

a) 压痕测量装置应能将压痕对角线长度估测至   0.2 μ m 以内;  

b) 测量装置的最大允许误差为   1.0% 或0.4 μ m, 以较大者为准。 

4、硬度计综合指标 
根据GBPT18449.2-2001 的规定, 检查硬度计的标准硬度块分为三个范围:  

 ≤ 225HK  

400HK ～600HK  

700HK  

检验硬度计时, 在每一硬度块上压出5 个压痕, 将各对角线值d1d2 ? d5 按递增顺序排列, 其重复性误差用d5-d1 确定, 当d5-d1 小于0.05d 时, 表明硬度计合格,d=d1+ ? d5/5 。 硬度计的示值误差用H-H 确定, 式中H=H1+ ? H5/5,H1-H5 是d1 ～d5 相对应的硬度值,H 是标准块硬度值, 努氏硬度计示值误差应符合相关规定。 

努氏硬度试验方法 
试验方法部分规定了试验时环境温度范围, 选择的试验力级别, 试样的支承, 试验力的施加及保持时间, 以及压痕之间的距离, 这些规定均与国际标准ISO4545 相同。 关于在平面上试验用的努氏硬度值表, 国际标准在ISO10250 中单独给出。我国标准是在金属努氏硬度试验方法中以附录( 标准的附录) 的形式列出的。其结构内容完全相同。 

1、试验力的施加 
与其他硬度试验方法标准规定一样, 努氏硬度试验中施加试验力之前, 试样应稳固地放置在刚性和经过清洁的支承台上, 使得在施加试验力过程中试样不产生任何位移。为保证试验力正确的施加, 试样的放置应使试样表面与压头轴线相垂直。为使试验数据具有可比性, 施加全部试验力的时间应不超过10s, 并控制压头下降速度在15 μ mPs ～70 μ mPs 之间。试验力的保持时间在10s ～15s 之内, 对于特殊材料, 可延长试验力保持时间, 为保证试验条件的一致性, 试验力保持时间的误差应在   2s 之内。 

2、压痕间距 
由于努氏硬度压头压出的是菱形压痕, 考虑到压痕边缘周围的应变硬化区尺寸, 标准中对压痕间距的规定均以压痕短对角线的倍数为准, 标准中规定, 任一压痕边界距试样边缘的距离对于钢、铜及铜合金至少为压痕短对角线长度的2.5 倍; 对于轻金属、铅、锡及合金至少应为压痕对角线长度的3 倍。两相邻压 痕之间的距离, 对于钢、铜及铜合金至少应为压痕短对角线的3 倍; 对于轻金属、铅、锡及合金至少应为压痕短对角线长度的6 倍。 

3、平面努氏硬度值表 
在标准的附录A 中, 列出了平面努氏硬度值表, 本表适用于压痕长对角线在0.020 ～0.200mm 范围的试验。努氏硬度值均按公式HK=1.451FPd2 计算出。在国际标准中将努氏硬度计算表单独列为一个标准, 即ISO10250-1994, 考虑到本表与试验方法有直接关系, 故在制定本国家标准时, 将硬度计算表作为GBPT18449.1 的一部分, 以标准附录形式出现。 

4、努氏硬度值的换算与比较 
与其他硬度之间的换算一样, 目前尚无普遍适用的方法将努氏硬度精确地换算成其它硬度值, 这是由于对每种硬度试验而言硬度值是用特定的原理和计算方法导出的, 因此硬度本身是一个不确定的物理量。如果必须将努氏硬度换算成其他硬度值, 则要通过对比试验建立可靠的换算基础。 

本标准中规定, 努氏硬度试验结果的比较应在试验力相同的条件下进行, 这与维氏硬度试验标准规定相同。本规定主要是考虑到试样的实际情况, 实际试验材料往往在表面下不同深度处或某一厚度范围反映出不同的硬度值, 用不同试验力试验的结果往往有不同程度的差异, 为使试验室之间和各种来源的试验数据具有可比性, 标准中作了此规定。  

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