顯微硬度計
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顯微硬度計主要用于測量微小、薄型試件、脆硬件的測試，通過選用各種附件或者升級各種結(jié)構(gòu)可廣泛的用于各種金屬（黑色金屬、有色金屬、鑄件、合金材料等）、金屬組織、金屬表面加工層、電鍍層、硬化層（氧化、各種滲層、涂鍍層）、熱處理試件、碳化試件、淬火試件、相夾雜點的微小部分，玻璃、瑪瑙、人造寶石、陶瓷等脆硬非金屬材料的測試，在細(xì)微部分進(jìn)行精密定位的多點測量，壓痕的深層測試與分析，滲鍍層測試與分析，硬度梯度的測試，金相組織結(jié)構(gòu)的觀察與研究，涂鍍層厚度的測量與分析等。是實驗室質(zhì)檢部門、計量院所質(zhì)量控制、材料研究的必備檢測儀器。
1．2顯微硬度計的特點
1．2．1試驗力小，對薄形樣品或涂層均可測試；
1．2．2壓痕小，可認(rèn)為無損檢測，同時可在極小范圍內(nèi)進(jìn)行多點測試；
1．2．3全新浮點計算方法，使測試結(jié)果與理論結(jié)果完全一致；
1．2．4超大屏幕，顯示清晰度高，完全中文操作系統(tǒng)，使用方便快捷；
1．2．5全新大三通光路系統(tǒng)，接近100%完全光吸收；
1．2．6物鏡（壓頭）-塔臺基板-光學(xué)系統(tǒng)-照明四者一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計，幾乎做到了100%完美光學(xué)系統(tǒng)；
1．2．7主機(jī)硬件及軟件采用預(yù)留端口設(shè)置，部分功能升級只需輕松撥碼即可實現(xiàn)，使后續(xù)升級服務(wù)更加完美貼切；
1．2．8采用高端的圖形圖像處理技術(shù)與數(shù)據(jù)處理技術(shù)，圖像壓痕清晰，測試精度高；
1．2．9高精度的電機(jī)控制技術(shù)，讓塔臺轉(zhuǎn)換更加輕松自如；
1．2．10可選擇控制的塔臺轉(zhuǎn)動步數(shù)，讓塔臺定位更加精準(zhǔn)；
1．2．11可調(diào)的加卸載系統(tǒng)，讓操作人員可輕松的完成多次測試；
1．2．12可0-100%無級調(diào)節(jié)的照明系統(tǒng)，減輕了操作人員的視覺疲勞，同時自動控制的照明系統(tǒng)還可完成自動關(guān)閉與啟動；
1．2．13高級存儲系統(tǒng)可以隨時記憶測試結(jié)果，避免斷電帶來的數(shù)據(jù)丟失，高級時鐘控制系統(tǒng)，讓時間更加明了；
1．2．14高精度的升降軸讓機(jī)器運行更加平穩(wěn)舒適；
1．2．15穩(wěn)定的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計，使機(jī)器的使用壽命更長。
1．2．16垂直導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)的加卸荷系統(tǒng)，讓加卸荷均在一個面上實現(xiàn)，保證了砝碼施加實驗力的穩(wěn)定性，避免了凸輪式結(jié)構(gòu)的在水平和垂直兩個方向上施加力帶來的不穩(wěn)定現(xiàn)象。
1．3顯微硬度計工作條件
顯微硬度計應(yīng)工作在溫度20℃±8℃范圍內(nèi)，濕度應(yīng)保持在≤70%范圍內(nèi)，嚴(yán)禁在滴水或者塵土的環(huán)境中使用，更不能在腐蝕氣體和輻射的環(huán)境中使用。顯微硬度計應(yīng)固定在固定位置，不適宜經(jīng)常搬運或攜帶使用。
2．顯微硬度計技術(shù)特征
2．1顯微硬度計技術(shù)參數(shù)
2．1．1試驗力：0.098N、0.245N、0.490N、0.981N、1.961N、2.942N、4.903N、9.807N，即：10gf、25gf、50gf、100gf、200gf、300gf、500gf、1000gf；
2．1．2施加試驗力速度：0.05mm/s，自動加卸載試驗力；
2．1．3目鏡倍率：10X；
2．1．4物鏡倍率：10X（觀察）、40X（測量）；
2．1．5壓痕范圍：最大壓痕測量長度250mm，最小壓痕測量長度0.1um；
2．1．6硬度測量范圍：最大硬度值9999.9，最小硬度值0.001；
2．1．7測試儲存次數(shù)：99次；
2．1．8試驗力保荷時間：0-99秒；
2．1．9試件最大高度：85mm；
2．1．10壓頭中心到內(nèi)壁距離：110mm；
2．1．11最小檢測單位：0.025um；
2．1．12試臺尺寸：110X100mm，試臺移動范圍30X30mm，最小讀數(shù)0.01mm；
2．1．13光路切換方式：目鏡與CCD攝影同時觀看測試；
2．1．14電源：220V，50/60Hz；
2．1．15主機(jī)重量：毛重50kg；
2．1．16儀器外形尺寸：460X430X200mm；
2．2顯微硬度計組成
顯微硬度計由主機(jī)、測微目鏡、各種試臺、標(biāo)準(zhǔn)硬度塊、各種壓頭、物鏡、調(diào)平角等構(gòu)成。
3．顯微硬度計工作原理與結(jié)構(gòu)特征
3．1顯微硬度計的工作原理
硬度是一個重要的力學(xué)性能指標(biāo)，它能反映材料彈性和塑性變形的特性指標(biāo)。硬度測定時試樣制備簡單，試樣基本不被破壞，接近無損檢測，在不同尺寸與形狀的試樣上測定時，操作簡便，測量速度快，并且硬度與強度之間有著相似的換算關(guān)系，根據(jù)硬度值能夠得出近似的強度極限值；硬度測定是用標(biāo)準(zhǔn)形狀和尺寸的較硬物體在一定壓力下接觸材料表面，測定材料在變形過程中表現(xiàn)出來的抗力，稱為硬度測試。用不同的載荷施加力的方法所得到的硬度是表現(xiàn)材料抵抗塑性變形的能力，肖氏硬度則表現(xiàn)了材料抵抗彈性變形的能力；日常中我們把載荷大于1kg測試力的稱為宏觀硬度，它主要用于較大的試件，希望通過硬度測試能夠反映材料的宏觀性能；載荷小于1kg測試力的稱為微觀硬度，它主要用于小而薄的試件，希望反映出微小領(lǐng)域內(nèi)的材料性能，如顯微組織的相硬度、材料的表面硬度。
顯微硬度的測試原理基本和維氏硬度測試相同，所不同的是壓頭采用的是兩對面夾角為136o底面為正方形的正四棱錐金剛石壓頭和一徑角為 ，橫斷角為 的金剛石錐形壓頭，即：克努普金剛石壓頭（入下圖）。顯微硬度計和維氏硬度計所用的載荷分別為：1kg、2kg、3kg、5kg、10kg、20kg、30kg、50kg、100kg、120kg等，常用的為1kg、2kg、5kg、10kg、30kg、50kg。載荷的大小主要取決于試件的厚度。測試的最終硬度是通過壓痕單位面積上所能承受的載荷來表示的。將選定的固定實驗力（載荷）壓入試樣表面，并經(jīng)過規(guī)定的保持時間（保荷），然后卸除實驗力（卸荷）后，在試樣表面殘留出一個底面為正方形的正四棱錐或克努普壓痕，通過測微目鏡測量其對角線的長度，得到壓痕的面積，顯微硬度值就是實驗力與壓痕表面積的比值。
上圖為正四棱錐金剛石壓頭
采用正四棱錐金剛石壓頭的計算公式如下：
式中：F=所施加的載荷，單位為N；
S=壓痕在試樣上的表面積；
， 為壓痕兩對角線長度；
HV=顯微維氏硬度值。
如下圖所示：
公式的推導(dǎo)：
則 ，式中：F單位：g；d單位：um。
φ角選擇136°是為了使維氏硬度得到一個成比例的并在較低硬度時與布氏硬度基本一致的硬度值。在布氏測試法臺規(guī)定0.25<d/D<0.5，最理想的d/D值是0.375, φ=44°,與此相對應(yīng)的金剛石正四棱錐的兩以面間夾角就是180°-44°=136°。
上圖為克努普金剛石壓頭
采用克努普金剛石壓頭的計算公式如下：
此時壓痕的長對角線與短對角線的長度之比是7.11。硬度值為：
（ ）
式中F單位：N
d 為長對角線，單位：mm
公式的推導(dǎo)：
式中：F單位：g；L單位：um。
3．2顯微硬度計的結(jié)構(gòu)特征
顯微硬度計由硬度計主機(jī)及測微目鏡和相關(guān)附件組成。測微目鏡是用來觀察金相或顯微組織，確定測試部位，測量對角線長度，數(shù)據(jù)的采集等；硬度計主機(jī)則是完成目鏡與壓頭的切換，在確定的測試部位進(jìn)行施加載荷，完成平臺的移動尋找像點等；相關(guān)附件主要是為了試件的夾持穩(wěn)固等。
下面以MC010-HVST-1000ZA舉例來說明顯微硬度計的構(gòu)造：
MC010-HVST-1000ZA顯微硬度計主要由圖像處理系統(tǒng)、機(jī)身、自動塔臺控制系統(tǒng)、測微光學(xué)系統(tǒng)、大三通系統(tǒng)、加卸載機(jī)構(gòu)、自動運動控制系統(tǒng)、升降系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、顯示模塊及電路模塊等。如下圖示：
3．2．1圖像處理系統(tǒng)
高端的圖像處理系統(tǒng)采用最新光學(xué)技術(shù)與電子技術(shù)，通過大三通系統(tǒng)完美的與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)相結(jié)合，使壓痕的測試及觀察清晰準(zhǔn)確，大大提高了測試精度。
3．2．2機(jī)身
世界主流設(shè)計概念的機(jī)體，呈現(xiàn)出精美的輪廓，高級的烤漆工藝讓機(jī)身持久光亮如新。
3．2．3自動塔臺控制系統(tǒng)
采用高精度的電氣控制技術(shù)，配合一體化的塔臺運轉(zhuǎn)系統(tǒng)，即保證了物鏡與壓頭的準(zhǔn)確切換，同時也提高了定位精度，使塔臺運轉(zhuǎn)輕松自如。
3．2．4測微光學(xué)系統(tǒng)
超大視野的目鏡，超大行程的十字平臺移動結(jié)構(gòu)，精準(zhǔn)的光學(xué)系統(tǒng)，讓操作人員能夠輕松舒適的完成找基準(zhǔn)、定位、選像及測量整個過程。
3．2．5大三通系統(tǒng)
自主知識產(chǎn)權(quán)的新一代大三通系統(tǒng)，直接定位于塔臺基板上，配合一體化的照明系統(tǒng)，能夠完美的與圖像處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、塔臺控制系統(tǒng)及測微光學(xué)系統(tǒng)結(jié)合，實現(xiàn)了高精度定位、一體化設(shè)計及即時的升級擴(kuò)展等現(xiàn)代儀器設(shè)計理念。
3．2．6加卸載機(jī)構(gòu)
垂直導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)的加卸荷系統(tǒng)，讓加卸荷均在一個面上實現(xiàn)，保證了砝碼施加實驗力的穩(wěn)定性，避免了凸輪式結(jié)構(gòu)的在水平和垂直兩個方向上施加力帶來的不穩(wěn)定現(xiàn)象。
3．2．7自動運動控制系統(tǒng)（選購）
行程重復(fù)性高達(dá)2um的精度，可在行程范圍內(nèi)自由運動的控制方式，直接通過電腦控制的高精度載物臺機(jī)構(gòu)，不僅僅實現(xiàn)了操作的便利性，同時也為精密尺寸測量（如涂鍍層厚度、金相分析及硬度梯度等）及金屬結(jié)構(gòu)組織分析提供了更精準(zhǔn)的分析手段。
3．2．8升降系統(tǒng)
利用高超的精研技術(shù)，使同軸度高達(dá)3um的升降軸機(jī)構(gòu)，能夠完成極其微小而薄的試件的精密測試，同時也提高了運動的平穩(wěn)性以及操作的舒適性。
3．2．9數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)
簡單易懂的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，通過圖像處理系統(tǒng)的緊密配合，能夠在電腦中清晰無誤的采集壓痕，輕松的完成硬度測試。如果配合自動運動控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)還能完成定尺寸的自動硬度測試，通過多次打壓，精準(zhǔn)的完成硬度測試曲線等。
3．2．10顯示模塊
觸摸式的操作手段（只有第七代硬度計可配）或超大的數(shù)顯全中文液晶顯示器，讓初學(xué)者也能很快完成簡單的硬度測試工作。
3．2．11電路模塊
公司采用最新電子技術(shù)開發(fā)的電路控制模塊，具有可持續(xù)升級功能，能夠通過簡單的控制按鈕完成包括廁微目鏡、塔臺、自動化平臺及后續(xù)高級自動化控制移動技術(shù)的操作，為將來的升級預(yù)留了可發(fā)展的空間。
顯微硬度計的使用與操作
4．1顯微硬度計使用前的準(zhǔn)備與檢查
4．1．1對測試平臺、試件以及測微目鏡要保持足夠的清潔，使用前應(yīng)用合適的清潔劑對試件進(jìn)行除污與除濕處理，同時要用脫脂棉或者其它綢布擦拭測試平臺及用酒精擦拭測微目鏡。
4．1．2用水平泡檢查儀器是否安放水平，是否由于周邊環(huán)境振動影響了平臺水平。
4．1．3檢查砝碼是否安放平穩(wěn)，每次測試之前最后先平穩(wěn)的對實驗力選擇手柄進(jìn)行一次實驗力加卸操作，以保持可能由于周邊環(huán)境或者人為移動機(jī)器造成的砝碼偏移。
4．1．4檢查塔臺定位是否精準(zhǔn)，每次測試之前，要對兩個物鏡和壓頭的定位進(jìn)行檢查，看是否出現(xiàn)偏移，如果出現(xiàn)偏移，可以通過調(diào)整電機(jī)步數(shù)進(jìn)行重新定位。
4．2顯微硬度計操作面板的功能介紹
顯微硬度計操作面板包括11個主功能鍵（啟動、壓頭、物鏡、取消、下調(diào)節(jié)鍵、確認(rèn)（ok）、上調(diào)節(jié)鍵、清零、顯示、打印和菜單等）以及系統(tǒng)參數(shù)狀態(tài)表。如下圖示：
4．2．1“啟動”鍵主要用于硬度計對試件的加卸荷操作，當(dāng)選擇啟動按鍵后塔臺自動歸整到壓頭位置，并驅(qū)動加卸荷組對試件進(jìn)行加載和卸載操作，完成后自動歸整到測試物鏡位置，進(jìn)行觀察和測量。
4．2．2“壓頭”鍵主要用于旋轉(zhuǎn)壓頭到指定位置。
4．2．3“物鏡”鍵主要用于對10X和40X物鏡進(jìn)行切換。
4．2．4“取消”鍵主要用于對當(dāng)前界面返回上一級菜單的操作。
4．2．5“下調(diào)節(jié)鍵”主要用于對當(dāng)前選擇的數(shù)據(jù)進(jìn)行減少或增加操作，或者對次級菜單功能進(jìn)行選擇。
4．2．6“確認(rèn)（ok）”鍵主要用于對當(dāng)前的功能或者數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇確認(rèn)。
4．2．7“上調(diào)節(jié)鍵”主要用于對當(dāng)前選擇的數(shù)據(jù)進(jìn)行減少或增加操作，或者對次級菜單功能進(jìn)行選擇。
4．2．8“清零”鍵主要用于對編碼器讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸零操作。
4．2．9“顯示”鍵主要用于對次級菜單的顯示。
4．2．10“打印”鍵主要用于對當(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)行打印或者對選擇的先前數(shù)據(jù)進(jìn)行打印處理。如下圖示：
4．2．11“菜單”鍵主要用于對次級目錄的顯示。
4．2．12系統(tǒng)參數(shù)狀態(tài)表主要包括：
塔臺位置：10X、40X物鏡或壓頭位置的顯示確認(rèn)。
實驗力值：顯示當(dāng)前的實驗力值。
測量次數(shù)：顯示當(dāng)前用戶剩余的可用測量次數(shù)。
加載時間：顯示當(dāng)前選擇的加卸載時間。
Δd1和Δd2：顯示當(dāng)前編碼器讀取到的測試壓痕的對角線長度值。
硬度值HV或HK：顯示當(dāng)前測試得到的試件的硬度值。
HRC：當(dāng)前選擇的標(biāo)尺。
打印機(jī)：當(dāng)前的打印機(jī)狀態(tài)。
照明亮度：當(dāng)前選擇的照明亮度百分比，可0-100%無級調(diào)節(jié)。
系統(tǒng)時鐘：顯示當(dāng)前的日期及試件。
4．2．13次級菜單主要包括：
A菜單鍵（如下圖示）包括：
硬度測量次數(shù)的設(shè)置：可1-99次范圍內(nèi)任意設(shè)置。通過上下調(diào)節(jié)鍵選擇任意一個次數(shù)，然后選擇“ok”按鍵確認(rèn)即可。如下圖示：
實驗力加載時間設(shè)置：可0-99秒范圍內(nèi)任意設(shè)置。通過上下調(diào)節(jié)鍵選擇任意一個時間，然后選擇“ok”按鍵確認(rèn)即可。通常按照國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定選擇10-15秒加載時間為最佳狀態(tài)。如下圖示：
物鏡照明亮度設(shè)置：可0-100%范圍內(nèi)無級調(diào)節(jié)。通過上下調(diào)節(jié)鍵選擇任意一個百分比，然后選擇“ok”按鍵確認(rèn)即可。如下圖示：
系統(tǒng)時鐘設(shè)置：通過上下調(diào)節(jié)鍵選擇年，然后按“ok”按鍵進(jìn)行數(shù)據(jù)確認(rèn)，系統(tǒng)會自動跳到月份選擇部分，同理進(jìn)行月份、日、小時、分鐘和秒數(shù)的設(shè)置，設(shè)置完成后直接按“ok”鍵進(jìn)行確認(rèn)即可。如下圖示：
電動塔臺校準(zhǔn)：主要用于對塔臺的定位進(jìn)行校準(zhǔn)，以解決物鏡與壓頭旋轉(zhuǎn)之后的同點問題。當(dāng)選擇此功能后，如果物鏡或者壓頭的位置正確，則系統(tǒng)會自動發(fā)出“嘀嘀嘀”的響聲并顯示“XXX位置調(diào)整合適”提示，如果物鏡或者壓頭的位置偏離，則系統(tǒng)不會發(fā)出聲音并顯示“請微調(diào)塔臺傳感器”。技術(shù)人員在出廠之前已經(jīng)對塔臺進(jìn)行過精密的調(diào)整，如果由于使用時期過長或者其它人為因素造成定位出現(xiàn)偏離，請通過此功能的電機(jī)步數(shù)的調(diào)整進(jìn)行塔臺校準(zhǔn)。在選擇此功能之后，只需通過上下調(diào)節(jié)鍵進(jìn)行步數(shù)調(diào)整，調(diào)整到發(fā)出“嘀嘀嘀”的響聲并顯示“XXX位置調(diào)整合適”提示的界面后，直接按“ok”鍵進(jìn)行確認(rèn)即可。但是調(diào)整時請注意，由于總的驅(qū)動步數(shù)是固定的，請按照界面提示，把每個物鏡和壓頭以及空位都要進(jìn)行調(diào)整確認(rèn)。此功能請慎用。如下圖示：
B顯示鍵（如下圖示）包括：
切換用戶：可選擇1-5個用戶中的任意一個進(jìn)行數(shù)據(jù)儲存。通過上下調(diào)節(jié)鍵選擇任意一個用戶，然后選擇“ok”按鍵確認(rèn)即可。
選擇HV：選擇用戶所要進(jìn)行的測試目的。直接按“ok”鍵進(jìn)行確認(rèn)。
選擇HK：選擇用戶所要進(jìn)行的測試目的。直接按“ok”鍵進(jìn)行確認(rèn)。
標(biāo)尺換算：包含14個標(biāo)尺的選擇。HV、HK、HRA、HRB、HRC、HR15T、HR30T、HR45T、HR15N、HR30N、HR45N、HBS、BHW及碳鋼等。通過上下調(diào)節(jié)鍵選擇任意一個標(biāo)尺，然后選擇“ok”按鍵確認(rèn)即可。
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