努氏硬度試驗原理及其應用

史濟來 田少崗/江蘇省計量科學研究院

0 引言

努氏硬度計、努氏硬度塊檢定規(guī)程業(yè)已頒布實施，這是我國硬度計量工作者及相關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口驗收、質量評定和國際間的交流提供了計量技術法規(guī)，可喜可賀。為了使從事這一項目的同行有更多的了解，筆者就多年來的點滴體會作簡單介紹，以供參考。

1 努氏硬度試驗原理

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，在我國列為小負荷硬度試驗，也可稱其為顯微硬度。它與顯微維氏硬度試驗一樣，使用較小的力以特殊形狀的壓頭進行試驗，測量壓痕對角線求得硬度值。努氏硬度試驗原理：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)定的試驗力壓入試樣表面，經一定的保持時間后卸除試驗力（圖1）。試驗力除以試樣表面的壓痕投影面積之商即為努氏硬度。計算公式如下：

式中：HK — 努氏硬度符號；

F — 試驗力，N；

S — 壓痕投影面積，mm2；

d — 壓痕長對角線長度，mm；

圖1 努氏硬度試驗原理

2 努氏試驗的特點

1）由于使用壓頭的特殊形狀如圖2所示，試驗時能產生長短對角線為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）努氏硬度試驗的壓痕壓入深度只有長對角線長度的1/30，維氏硬度試驗的壓痕壓入深度為對角線長度的1/7，所以努氏硬度試驗適用于表層硬度和薄件的硬度測試。

3）同一試樣在同一負荷下，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）努氏硬度試驗適合脆性材料的測試。脆性材料在努氏硬度測試時，裂紋產生部位大多在短對角線兩側，一般不太影響長對角線的測量。

5）在一定范圍內，試驗所測得的硬度值與施加的負荷無關，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。所以進行硬度試驗時，如果條件允許，盡量選擇大一級的負荷。在標明硬度值時，一定要在硬度符號底角加注使用負荷。如400 HK 0.1即表明在0.98 N負荷下硬度值為400。

圖3 努氏硬度與負荷的關系

3 努氏硬度試驗法的應用

自1939年Knoop發(fā)明了這種方法，努氏硬度試驗受到了廣泛的應用，我國努氏硬度量值溯源關系完善后，為這種方法的運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，對材料科學及加工工藝的研究起著至關重要的作用。

3.2 生產測試及工藝

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。由于努氏硬度試驗使用的負荷小，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。對材料進行表面硬化處理，確定合理的熱處理工藝，努氏硬度試驗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）材料組織結構的硬度鑒別。材料經熱處理后，顯微組織、鋼中碳化物發(fā)生什么變化，借助這種方法優(yōu)于其他硬度試驗法。

5）脆性材料的硬度測試。努氏硬度試驗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行質量評定。筆者多年前曾用維氏法和努氏法對人造紅寶石進行了大量試驗，成功找出了這種脆性材料機械性能的規(guī)律及質量評定方法，也確定了努氏法在這些材料測試中的優(yōu)越地位，得到國內同行的認可和好評。維氏法和努氏法的壓痕如圖6和圖7所示。兩種試驗結果見表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 結束語

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