維氏硬度測試：原理、應用與限制

維氏硬度測試：原理、應用與限制

維氏硬度測試以指定力量將四角錐鑽石壓頭壓入材料，在表面形成壓痕。單位為 HV。

• 鑽石壓頭結構：四角錐形，對側兩面的夾角為 136°。
• 施加力量：依應用需求可選擇 30 N、50 N、100 N、150 N、300 N 等。

壓頭設計：

• 使用頂角 136° 的四角錐鑽石壓頭，確保不同負荷下的幾何相似性。
• 此角度可減少彈性變形，並使不同硬度材料的結果標準化。

計算公式：

維氏硬度為 F/S，即施加力量 F 除以壓痕表面積 S。S 依壓痕兩條對角線 d1、d2 的平均長度計算。

• HV: 維氏硬度值（kgf/mm² 或 N/mm²）。
• F: 施加力量（kgf 或 N）。
• d: 壓痕兩條對角線的平均長度（mm）。
• 由於此方法不受比例影響，因此可比較不同負荷下的結果。

維氏硬度以 F/S 計算：將試驗力量 F 除以壓痕面積 S。S 依鑽石壓頭形成的壓痕平均對角線長度 d 計算。

負荷範圍：

• 微硬度（1–1,000 gf）: 適用於薄膜或小型零件。
• 巨觀硬度（1–120 kgf）: 適用於塊狀材料。

測試程序

試樣準備：

• 為確保準確度，試樣表面須拋光（Ra ≤ 0.5 µm）。
• 粗糙表面或塗層可能使結果產生偏差。

形成壓痕：

• 依 ISO 6507，施力 10–15 秒。
• 鑽石壓頭會形成永久塑性變形。

光學分析：

• 以顯微鏡或自動系統測量對角線（d₁、d₂）。
• 現代系統利用高解析度影像，可達 ±0.5% 準確度。

優點

1. 通用性：
   • 可測試金屬、陶瓷、聚合物及複合材料（8–3,000 HV）。
   • 不同材料無須更換壓頭。
   • 可測量電鍍層硬度。
   • 可測量其他方法難以測試的微小零件。
2. 高準確度：
   • 即使測試玻璃等脆性材料，也能重複取得結果。
   • 相較洛氏法，較不易受表面粗糙度影響。
3. 微硬度測試：
   • 可評估薄塗層（如 PVD）或焊接熱影響區。
4. 對試樣的破壞程度低：
   • 壓痕很小，試樣仍可再次使用。
   • 提供寬量程且準確、可靠的測量結果。

限制

1. 耗時：
   • 一次測試（準備與測量）需 30–60 秒。
2. 成本較高：
   • 鑽石壓頭與光學系統價格較高。
   • 手動測試需要熟練技術人員。
   • 維氏硬度計價格較高。
   • 可能還需配置試樣切割與研磨設備。
3. 表面敏感度：
   • 多層材料須控制厚度，以避免基材影響。

依產業區分的應用

與其他方法比較

進展與趨勢

1. 自動化：
   • AI 系統（例如 3SMRTM 演算法）可自動測量對角線、降低誤差，並達到 1.57 像素精度。
   • 整合觸控螢幕的攜帶型硬度計可用於現場檢測。
2. 市場：
   • 預估 2024–2031 年市場每年成長 6.6%，主要由亞太地區帶動（市占率 48%）。
   • 汽車與電子產業占銷售額的 40%。
3. 永續性：
   • 生物可分解聚合物等環保材料，也需要精確的硬度測試。

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