硬度测试设备和硬度测试方法与流程

相关申请的交叉引用

本申请根据35u.s.c.§119要求2015年11月4日提交的日本申请第2015-216263号的优先权，其全部公开内容通过引用明确并入本文。

本发明涉及一种硬度测试机以及硬度测试方法。

背景技术：

常规的硬度测试机是已知的，其基于通过采用预定测试力将压头压靠着样品所形成的压痕的尺寸来测量样品的硬度(例如参见日本专利特许公开号2008-180669)。例如，vickers硬度测试机在通过按压正方棱锥压头到样品表面中形成压痕之后来测量压痕的对角线长度，并且基于所测量的压痕对角线长度来计算硬度。

然而，在需要所形成的压痕的这种测量以便测量硬度的硬度计算方法中，在形成压痕之后通过光学观察装置来进行观察是必需的。这在计算硬度之前需要时间，从而导致工作效率很差。

技术实现要素：

本发明提供了一种能够通过计算硬度而不需要光学观察来提高工作效率的硬度测试机及硬度测试方法。

为了解决上述问题，本发明的一方面是提供了一种将预定测试力加载在压头上并且将所述压头按压到样品的表面中以形成压痕的硬度测试机。所述硬度测试机包括存储器、测量器、估计值计算器以及硬度计算器。所述存储器存储相关数据，所述相关数据关联基于通过将所述压头按压到标准参考样品的表面中所形成的压痕的尺寸的标准参考样品的硬度以及基于在标准参考样品中形成压痕期间的测试力和下压量的标准参考样品的硬度。所述测量器测量在被测量的样品中形成压痕期间的测试力和下压量。所述估计值计算器基于由所述测量器测量的测试力和下压量来计算被测量的样品的硬度的估计值。所述硬度计算器基于由所述估计值计算器计算的估计值和所述相关数据来计算被测量的样品的硬度。

根据本发明的另一方面，所述硬度测试机包括vickers硬度计算器，基于通过将压头按压到标准参考样品的表面中所形成的压痕的尺寸来计算标准参考样品的vickers硬度。所述测量器连续地测量在标准参考样品中形成压痕期间的测试力和下压量。所述估计值计算器进一步配置成，作为估计值，基于由所述测量器测量的测试力和下压量来计算相当于标准参考样品的vickers硬度的硬度。所述存储器关联作为相关数据的由所述vickers硬度计算器计算的vickers硬度以及由所述估计值计算器计算的估计值并存储它们。

根据本发明的另一方面，所述硬度测试机包括定义器，其能够从多个计算公式中设定要被所述估计值计算器使用的估计值的计算公式。所述估计值计算器通过使用由所述定义器设定的计算公式来计算估计值。

本发明的另一方面是提供了一种将预定测试力加载在压头上并且将所述压头按压到样品的表面中以形成压痕的硬度测试机。所述硬度测试机包括存储器、测量器、以及硬度计算器。所述存储器存储相关数据，所述相关数据关联基于通过将所述压头按压到标准参考样品的表面中所形成的压痕的尺寸的标准参考样品的硬度以及基于在标准参考样品中形成压痕期间的测试力和下压量的标准参考样品的硬度。所述测量器测量在被测量的样品中形成压痕期间的测试力和下压量。所述硬度计算器基于由所述测量器测量的测试力和下压量以及所述相关数据来计算被测量的样品的硬度。

本发明的另一方面是提供了一种由将预定测试力加载在压头上并且将所述压头按压到样品的表面中以形成压痕的硬度测试机进行的硬度测试方法。所述方法包括获取、测量、估计值计算以及硬度计算。所述获取步骤获取相关数据，所述相关数据关联基于通过将所述压头按压到标准参考样品的表面中所形成的压痕的尺寸的标准参考样品的硬度以及基于在标准参考样品中形成压痕期间的测试力和下压量的标准参考样品的硬度。所述测量步骤测量在被测量的样品中形成压痕期间的测试力和下压量。所述估计值计算基于由所述测量所测量的测试力和下压量来计算被测量的样品的硬度的估计值。所述硬度计算基于由估计值计算所计算的估计值和所述相关数据来计算被测量的样品的硬度。

根据本发明的另一方面，所述获取包括：vickers硬度计算，基于通过将压头按压到标准参考样品的表面中所形成的压痕的尺寸来计算标准参考样品的vickers硬度；初步测量，连续地测量在标准参考样品中形成压痕期间的测试力和下压量；初步估计值计算，作为估计值，基于通过初步测量所测量的测试力和下压量来计算相当于标准参考样品的vickers硬度的硬度；以及存储，存储关联由vickers硬度计算所计算的vickers硬度以及由初步估计值计算所计算的估计值的相关数据。

根据本发明的另一方面，所述初步估计值计算执行如下之一：通过在所述压头的下压量中代替压痕的尺寸来找到估计值的计算公式；和使用如由纳米压痕所定义的压痕硬度来找到估计值的计算公式。

本发明的另一方面是提供了一种将预定测试力加载在压头上并且将所述压头按压到样品的表面中以形成压痕的硬度测试方法。所述方法包括获取、测量和硬度计算。所述获取步骤获取相关数据，所述相关数据关联基于通过将所述压头按压到标准参考样品的表面中所形成的压痕的尺寸的标准参考样品的硬度以及基于在标准参考样品中形成压痕期间的测试力和下压量的标准参考样品的硬度。所述测量步骤测量在被测量的样品中形成压痕期间的测试力和下压量。所述硬度计算基于由所述测量步骤所测量的测试力和下压量以及所述相关数据来计算被测量的样品的硬度。

根据本发明，可以通过计算硬度而不需要光学观察来提高工作效率。

附图说明

下面参照所提出的多个附图，通过本发明的示例性实施例的非限制性示例，在详细描述中对本发明进行说明，其中在若干附图中，相同的附图标记表示类似的部件，其中：

图1是示出根据本发明的硬度测试机的视图；

图2是硬度测试机的控制结构的框图；

图3是表示硬度测试机的初步测试过程的流程图；

图4是由硬度测试机形成的压痕的示例性说明；

图5是示例性按压曲线；

图6是在初步测试中获取的相关数据的示例性说明；

图7是表示硬度测试机的主要测试过程的流程图；

图8是通过使用下压量来发现硬度的示例性方法的说明图；

图9是表示变形例的初步测试过程的流程图；以及

图10是表示变形例的主要测试过程的流程图。

具体实施方式

本文示出的细节是通过示例呈现的，并且仅用于本发明实施例的说明性讨论的目的，被认为是本发明的原理和概念方面的最有用且最容易理解的描述。在这方面，没有试图更详细地示出比对于本发明的基本理解所必要的本发明的结构细节，对于本领域技术人员而言，结合附图的描述使得本发明的形式可以如何在实践中实施是显而易见的。

下面参照附图，对根据本发明的硬度测试机和硬度测试方法进行详细说明。

例如，如图1和2所示，根据本实施例的硬度测试机100包括控制器10和硬度测试机主体1(其上设置有每个部件)。例如，测试机主体1包括：xyz台2，其在x、y、z方向上位移样品s；载荷杆4，在其一端部具有压头3，该压头在样品s中形成压痕；加载器5，其将预定载荷(测试力)置于载荷杆4上；位移计6，其检测压头3的下压量；图像捕获器7，其捕获形成在样品s表面上的压痕的图像；显示器8；以及定义器9。

xyz台2配置成根据从控制器10输入的控制信号在x、y和z方向上(即，在水平和垂直方向上)位移。样品s向前/向后位移至左/右，并且由xyz台2向上/向下，以便调整样品s相对于压头3的位置。另外，xyz台2采用样品保持台2a保持样品s，使得搁在其上表面上的样品s在测试测量期间不位移。

例如，由金刚石制成的四边形锥体vickers压头(具有136±0.5°的相对角)可用作压头3。当施加预定载荷且这种压头3压入样品s的表面中时，具有四边形形状的压痕(印记)形成在样品s的表面中。

例如，载荷杆4形成为大致杆形。载荷杆4通过交叉弹簧4a固定在台座顶上的其大致中央部。压头3设置在载荷杆4的第一端，以便自由接触样品s且从上方与样品s分开，样品s搁置在样品保持台2a的顶上。压头3压靠着样品s的表面以在其中形成压痕。在载荷杆4的第二端，设置有力线圈5a，构成所述加载器5。

例如，加载器5是力马达，并且包括连接到载荷杆4的力线圈5a和固定成以便与力线圈5a相对的固定磁体5b。例如，根据从控制器10输入的控制信号，加载器5采用驱动力来旋转载荷杆4。驱动力是由通过固定磁体5b在间隙中产生的磁场与在力线圈5a(其位于该间隙内)中流动的电流之间的电磁感应所产生的力。通过旋转载荷杆4，在压头3侧上的载荷杆4的端部向下倾斜，压头3压入样品s。

例如，位移计6是静电电容式位移传感器，并且包括设置到在压头3侧上的载荷杆4的端部的可动极板6a和固定在适当位置以便与可动极板6a相对的固定极板6b。例如，位移计6检测可动极板6a与固定极板6b之间静电电容的变化，由此检测压头3在样品s中形成压痕时的位移量(压头3压入样品s时的下压量)。位移计6然后将关于检测到的位移量的数据输出到控制器10。此外，静电电容式位移传感器被提供作为示例性位移计6；然而，位移计6并不限定于此，例如还可以是光学式位移传感器或涡流式位移传感器。

图像捕获器7例如包括数码相机，并且例如根据从控制器10输入的控制信号，捕获由压头3形成在样品s的表面上的压痕图像。图像捕获器7将所捕获的图像数据输出到控制器10。

显示器8例如是液晶显示面板，并且根据从控制器10输入的控制信号，执行由图像捕获器7捕获的样品s表面图像的显示处理、各种测试结果等。

定义器9例如是一组操作键诸如键盘，并且在由用户操作时将与该操作相关的操作信号输出到控制器10。另外，定义器9还可以包括点击设备比如鼠标或触摸屏、遥控器及其它操作设备。在用户执行指令输入来启动样品s的硬度测试时、在用户定义置于压头3上的测试力(即载荷)时等操作定义器9。例如，还在定义任何各种处理模式比如执行初步测试的初步测试模式(在实际硬度测试之前进行)和执行实际硬度测试的主要测试模式时操作定义器9。

控制器10包括cpu(中央处理单元)11、ram(随机存取存储器)12和存储器13。通过系统总线等，控制器10连接到xyz台2、加载器5、位移计6、图像捕获器7、显示器8和定义器9。

例如，cpu11根据存储在存储器13中的用于硬度测试机的各种处理程序来进行各种控制处理。

例如，ram12包括用于提取由cpu11执行的处理程序的程序存储区域和存储在执行处理程序时产生的输入数据或处理结果的数据存储区域。

例如，存储器13存储可由硬度测试机100执行的系统程序；可由系统程序执行的各种处理程序；在执行各种处理程序时要被使用的数据；以及关于由cpu11计算的各种处理的结果的数据。另外，程序以可由计算机读取的程序代码的形式存储在存储器13中。具体地，例如，存储器13存储压痕形成程序131、测量程序132、vickers硬度计算程序133、估计值计算程序134、相关计算程序135、相关存储器136以及硬度计算程序137。下面对各种程序的内容进行说明。

接下来，对根据本实施例的硬度测试机100的硬度测试方法进行说明。

在根据本实施例的硬度测试机100中，在执行实际硬度测试之前进行初步测试。在初步测试中，获得用于用作标准参考(标准参考样品s1)的一种或多种样品的相关数据(如下所述)，且相关数据与标准参考样品s1的特性(比如材料)相关并被存储。然后，在执行实际硬度测试(主要测试)时，在待测量的样品(被测量的样品)s2具有与同相关数据有关的标准参考样品s1的所存储的特性相同的特性的情况下，通过使用相关数据来计算硬度。

初步测试：获取

下面对初步测试进行详细说明。图3是示出初步测试的程序流程的流程图。

首先，由操作定义器9的用户选择初步测试模式，在标准参考样品s1布置在样品保持台2a上的状态下发出启动初步测试的指令。在这一点上，cpu11运行压痕形成程序131，并且采用预定测试力将压头3按压到标准参考样品s1的表面中，以在标准参考样品s1的表面上形成压痕(步骤s11)。图4是示出具有四边形形状的压痕的示意图。在图4中，压痕的对角线长度由d表示和下压量由h表示。

在这一点上，cpu11运行测量程序132，并且在压痕形成过程中，连续地获取加载在压头3上的测试力和压头3的下压量的值，并且测量测试力和下压量的数据(步骤s12：初步测量)。图5示出了绘制测试力和下压量的所获取的数据的示例性测试力/下压量曲线(按压曲线)。按压曲线包括载荷施加曲线和载荷去除曲线。在载荷施加步骤中测量载荷施加曲线，其中施加到压头3的载荷在压痕形成过程中逐渐增加，直至达到限定的最大测试力(fmax)。在载荷去除步骤中测量载荷去除曲线，其中在施加到压头3的载荷达到最大测试力之后，施加到压头3的载荷逐渐减小。

然后，在压痕形成结束之后，cpu11运行vickers硬度计算程序133并且计算vickers硬度(步骤s13：vickers硬度计算)。具体地，cpu11采用图像捕获器7捕获压痕的图像数据，通过使用已知的图像处理来测量压痕的对角线长度，并采用下面的方程(1)来计算vickers硬度。

hv＝0.1894×f/d²…(1)

在此方程中，hv是vickers硬度，f是测试力，d是压痕的对角线长度。

另外，cpu11运行估计值计算程序134，并且使用关于在步骤s12中测量的测试力和下压量的数据来计算硬度(步骤s14：初步估计值计算)。具体地，cpu11通过使用下面的方程(2)将下压量转换成压痕的对角线长度，然后将该值代入上面的方程(1)来计算硬度。

h＝1/7d…(2)

在此方程中，h是下压量，d是压痕的对角线长度。因此，通过运行估计值计算程序134计算出的硬度是通过使用下压量估计vickers硬度的值，在步骤s14中计算出的硬度以下被称为“vickers硬度的估计值”。

接下来，cpu11运行相关计算程序135，并且将在上述步骤s13中计算的vickers硬度与在上述步骤s14中计算的vickers硬度的估计值相关联来获得相关数据；将该相关数据与标准参考样品s1的特性比如材料联系；并且将所联系的相关数据存储在相关存储器136中(步骤s15：存储)。图6示出了示例性相关数据。图6示出了表示相关性的功能数据，其中在步骤s13中计算出的vickers硬度作为垂直轴，在步骤s14中计算出的vickers硬度的估计值作为水平轴。

在如上所述的初步测试中，可以通过在标准参考样品s1上进行单个压痕形成来计算vickers硬度及vickers硬度的估计值。因此，相关数据可以在相对较短的时间内获得。

主要测试

下面对实际硬度测试(主要测试)进行详细说明。图7是表示主要测试的程序流程的流程图。在这个例子中，被测量的样品s2具有与标准参考样品s1相同的特性，其相关数据存储在相关存储器136中。

首先，由操作定义器9的用户选择主要测试模式，在被测量的样品s2布置在样品保持台2a上的状态下发出启动主要测试的指令。在这一点上，cpu11运行压痕形成程序131，并且采用预定测试力将压头3按压到被测量的样品s2的表面中，以在被测量的样品s2的表面上形成压痕(步骤s21)。

在这一点上，cpu11运行测量程序132，并且在压痕形成过程中，连续地获取加载在压头3上的测试力和压头3的下压量的值，并且测量测试力和下压量的数据(步骤s22：测量)。

接下来，cpu11运行估计值计算程序134，并且使用关于在步骤s22中测量的测试力和下压量的数据来计算硬度(步骤s23：估计值计算)。具体的硬度计算方法类似于如上所述的步骤s14，并且在步骤s23中计算出的硬度是使用下压量的vickers硬度的估计值。

接下来，cpu11运行硬度计算程序137，并且基于在上述步骤s23中计算出的硬度和存储在相关存储器136中的相关数据来计算被测量的样品s2的硬度(步骤s24：硬度计算)。具体地，cpu11基于被测量的样品s2的特性检测对应于被测量的样品s2的标准参考样品s1，并且获取与该标准参考样品s1有关的相关数据。然后，在步骤s23中计算出的硬度的值被施加到相关数据，并计算vickers硬度。

在比如上面所述的主要测试中，步骤s21至s23可以与压痕形成基本上同时进行。因此，可以在压痕形成过程中计算vickers硬度，而无需在形成之后观察压痕，从而可以提高工作效率。

基于在步骤s14和s23中的估计值计算程序134的下压量来计算硬度的方法仅是示例性的。计算方法并不局限于此，下面还提供了其他计算方法的示例。

(采用纳米压痕使用压痕硬度(hit)的计算方法)

一种测试方法被称为纳米压痕，该测试方法通过连续地获取加载在压头3上的测试力和压头3的下压量的值并且分析得到的按压曲线(参见图8)来调查材料的机械性能，硬度的参数(所谓的压痕硬度(hit))由国际监管iso14577定义。压痕硬度(hit)可被处理为与vickers硬度相关的值。在这个例子中，讨论了一种方法，其中通过使用分析压痕硬度(hit)的方法来计算vickers硬度的估计值。

在图8中，垂直轴表示测试力(f)，而水平轴表示下压量(h)。

压痕硬度(hit)由下面的方程(3)定义为最大测试力(定义的测试力)(fmax)除以在最大下压期间与压头接触的样品的投影面积(ap(hc))的值。

hit＝fmax/ap(hc)…(3)

此外，例如在berkovic压头的情况下，基于压头的几何形状，ap(hc)可以表示为下面的方程(4)。

ap(hc)＝23.96hc²…(4)

另外，hc被称为接触深度，并且可以通过使用最大下压量(hmax)以及载荷去除曲线的初始部分的切线与下压量轴之间的交点(hr)，由下面的方程(5)表示。

hc＝hmax–0.75(hmax–hr)…(5)

此外，使用vickers压头的几何形状，vickers硬度(hv)与压痕硬度(hit)之间的关系可以由下面的方程(6)表示。

hv＝0.9065hit…(6)

如上所述，可以通过使用方程(3)至(6)来计算vickers硬度的估计值。

(使用brinnell硬度的计算方法)

此外，brinnell硬度可以基于测试力和下压量数据而被找到，并且可被使用来替代vickers硬度。在这个例子中，当用于计算brinnell硬度的压头的球体的直径由d表示且由压靠着压头而形成的压痕的直径由i表示时，可以通过使用下面的方程(7)来找到压头的下压量h。

[公式1]

brinnell硬度(hb)由jisz2243定义，并且可以采用下面的方程(8)使用下压量h找到。

[公式2]

如上所述，可以通过使用方程(7)和(8)来计算brinnell硬度的估计值(等同于vickers硬度的估计值)。

这样的配置也是可能的，其中执行计算vickers硬度的估计值的该多个方法的程序存储在存储器13中，用户使用定义器9将计算方法设定成所期望的那样。具体地，例如配置是这样的，其中计算vickers硬度的估计值的多个不同程序存储在存储器13中，用户根据标准参考样品s1和被测量的样品s2的特性指定任何计算方法，然后cpu11执行指定的程序，并且进行初步测试和主要测试。

根据本实施例，硬度测试机100包括存储相关数据的相关存储器136，相关数据关联基于通过将压头3按压到标准参考样品s1的表面中所形成的压痕的尺寸的标准参考样品s1的硬度以及基于在标准参考样品s1中形成压痕期间的测试力和下压量的标准参考样品s1的硬度。cpu11测量在被测量的样品s2中形成压痕期间的测试力和下压量，基于所测量的测试力和下压量计算被测量的样品s2的硬度的估计值，然后基于所计算的估计值和相关数据计算被测量的样品s2的硬度。因此，因为可以使用下压量来计算被测量的样品s2的硬度，所以可以在压痕形成过程中计算硬度，而无需在形成之后观察压痕，从而可以提高工作效率。

另外，根据本实施例，cpu11基于通过将压头3按压到标准参考样品s1的表面中所形成的压痕的尺寸来计算标准参考样品s1的vickers硬度；连续地测量在标准参考样品s1中形成压痕期间的测试力和下压量；并且作为估计值，基于所测量的测试力和下压量计算相当于标准参考样品s1的vickers硬度的硬度。然后，关联所计算的vickers硬度以及所计算的估计值的相关数据存储在相关存储器136中。因此，基于下压量的硬度可转化为vickers硬度。因此，可以在压痕形成过程中计算vickers硬度，而无需在形成之后观察压痕，从而可以提高工作效率。

另外，本实施例包括定义器9，其能够从多个计算公式中设定估计值的计算公式。此外，cpu11使用由定义器9设定的计算公式来计算估计值。因此，例如，用户可以根据标准参考样品s1和被测量的样品s2的特性来设定计算估计值的方法。因此，可以更精确地计算硬度。

变形例

根据本实施例，在主要测试中，基于在被测量的样品s2中形成压痕期间的测试力和下压量来计算被测量的样品s2的硬度的估计值，并且基于估计值和相关数据来计算被测量的样品s2的硬度。然而，这样的配置也是可能的，其中基于在被测量的样品s2中形成压痕期间的测试力和下压量以及与vickers硬度相关的相关数据来计算被测量的样品s2的硬度。

具体地，如图9所示，在初步测试(获取)中，cpu11在标准参考样品s1中形成压痕(步骤s31)，测量关于在压痕形成中的测试力和下压量的数据(步骤s32)，并且在压痕形成结束之后计算vickers硬度(步骤s33)。接下来，cpu11获得使标准参考样品s1的vickers硬度与在标准参考样品s1中形成压痕期间的测试力和下压量相关联的相关数据，使相关数据与标准参考样品s1的特性(比如材料)有关，并且将有关的相关数据存储在相关存储器136中(步骤s34)。在此之后，如图10所示，在主要测试中，cpu11在被测量的样品s2中形成压痕(步骤s41)，测量关于在压痕形成中的测试力和下压量的数据(步骤s42：测量)，并且基于在步骤s42中所测量的数据以及存储在相关存储器136中的相关数据计算被测量的样品s2的硬度(步骤s43：硬度计算)。

应当指出，上述示例仅用于解释的目的，不以任何方式被解释为限制本发明。虽然已经参照示例性实施例对本发明进行了说明，但应当理解的是，本文中所用的词语是描述性和说明性的词语，而不是限制性的词语。在所附权利要求的范围之内，可以如所述和所修改的那样进行变化，而不在这些方面背离本发明的范围和精神。虽然已经参照具体的结构、材料和实施例对本发明进行了说明，但本发明并不旨在被限定于本文所公开的细节；相反，本发明延伸到所有功能上等同的结构、方法和用途，比如在所附权利要求的范围之内。

本发明并不限定于上述实施例，并且在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行各种变化和修改。