ICS 77.040.10 CCS H 22
GB
中华人民共和国国家标准
GB/T21838.42020/IS014577-4:2016
代替GB/T21838.4—2008
金属材料 硬度和材料参数的仪器化压入试验　第4部分：金属和非金属覆盖层的试验方法
Metallicmaterials-Instrumentedindentationtestforhardness and
materialsparameters-Part 4:Testmethodformetallicandnon-metallic coatings
(ISO14577-4:2016,IDT)
2021-07-01实施
2020-12-14发布
国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会
发布 GB/T21838.4—2020/ISO14577-4:2016
目 次
前言引言
H
范围规范性引用文件符号和说明试验机的校准和检验试样
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5.1 一般要求 5.2 表面粗糙度 5.3 抛光 5.4 试验面清洗试验程序
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6.1 试验条件 6.2 试验步骤覆盖层表面压入试验的数据分析和结果评估 7.1 一般要求 7.2 覆盖层压入模量 7.3 覆盖层压入硬度 8结果的不确定度 9试验报告附录A（资料性）接触点和完全弹性范围：参考义献
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... GB/T21838.4—2020/ISO14577-4:2016
前言
本文件按照GB/T1.1一2020《标准化工作导则 第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。
GB/T21838《金属材料硬度和材料参数的仪器化压人试验》分为4个部分： ——第1部分：试验方法；
第2部分：试验机的检验和校准；一第3部分：标准块的标定：第4部分：金属和非金属覆盖层的试验方法。 本文件为GB/T21838的第4部分。 本文件代替GB/T21838.4—2008《金属材料 硬度和材料参数的仪器化压痕试验第4部分：金
属和非金属覆盖层的试验方法》，与GB/T21838.4一2008相比，主要技术变化如下：
删除了部分符号和说明（见2008年版的第3章）；删除了间接检验失败时应对措施的流程图（见2008年版的图1）；删除了漂移率测定的描述（见2008年版的6.2.2）；修改了覆盖层压人模量的测定（见7.2，2008年版的7.2）；修改了覆盖层压人硬度的测定（见7.3，2008年版的7.3）；
一增加了不确定度估算的描述（见第8章）；
删除了规范性附录机架柔度校准程序（见2008年版的附录A）。
本文件使用翻译法等同采用ISO14577-4：2016《金属材料 硬度和材料参数的仪器化压入试验第4部分：金属和非金属覆盖层的试验方法》。
与本文件中规范性引用的国际文件有一致性对应关系的我国文件如下：
GB/T27418一2017测量不确定度评定和表示（ISO/IEC指南98-3：2008，MOD）。 本文件做了下列编辑性修改：
在表1中增加脚注：“对非圆形压痕，a为接触面积等效半径”（见第3章）； —将“圆锥形=球形>维氏>玻氏”修改为“a圆锥形=a球形>a维氏>α破氏（下标表示压头形状）”（见
7.1) 。 请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。 本文件由中国钢铁工业协会提出。 本文件由全国钢标准化技术委员会（SAC/TC183)归口。 本文件起草单位：上海材料研究所、采埃孚亚太集团有限公司、东莞材料基因高等理工研究院、冶金
工业信息标准研究院、钢研纳克成都检测认证有限公司。
本文件主要起草人：王滨、王春亮、李荣锋、董莉、侯晓东、沙菲、侯慧宁、巴发海、高怡斐、王博亚。 本文件及其所代替文件的历次版本发布情况为：
GB/T21838.4—2008。
II GB/T21838,42020/ISO14577-42016
引
覆盖层的弹性和塑性性能是确定覆盖层产品质量的重要指标。实际上许多产品表面增加覆盖层可以提高其耐磨性，而高的硬度通常是提高耐磨性的前提。覆盖层硬度的测量常被作为一种质量控制手段。杨氏模量对覆盖层组分设计中的应力计算很重要。如，覆盖层抵抗外力的能力是覆盖层部件的一个重要特性。
采用仪化压入试验可以相对简单地测定块体材料的硬度和压人模量。然而，当在覆盖层表面进行压人试验时，基体材料的性能对试验结果有影响，影响的程度取决于试验力、覆盖层性质和厚度等
本文件提出的方法，其目的是在基体显著影响测量的情况下提供可能的分析方法，以从基体和覆盖
层的复合型测量中得到覆盖层的性能。有时，覆盖层性能也可通过在其横截面上测量直接得到。
I GB/T21838.42020/1S014577-42016
金属材硬度和材料参数的仪器化压入试验第4部分：金属和非金爱盖层的试验方法
1 苑围
本文件规定了金属和非金属覆盖层硬度和材料参数的仪器化压人试验方法，它特别适用于纳来/显
微范雷内的薄覆盖层试验。如果压人深度相对于覆盖层厚度很小，以至于在任何可能情况下都可以忽路基体材料的影响面将覆盖层当作块体材料时，没有必要采用本文件，该情况下的试验限制条件会在本文件给出。
本方法仅限于对试样表面进行垂直压人的单层要盖层试验，但如果相对于压痕尺寸来说，每一层的
厚度或梯度大于测量分辨率，则也可在其横截面上测量有梯度和多层覆盖层材料的性能。
本方法不限定材料的类型，它适用于金属和非金属覆盖层。在本文件中，术语“覆盖层”用于摘述与连接基体不同并有着均匀性质的任何固体层。该方法假定覆盖层性能不随压人深度变化。对于复合材科覆盖层，如果微观结构尺寸小于压痕尺寸，复合材料覆盖层可以被视作均匀的
本文件仅适用使用顶端曲率半径足够小的棱维或圆维形压头，从而保证测量所产生的塑性变形发生在覆盖层内部。对粘弹性或易发生端变的材料，试验时间对其硬度测量影响很大。
注1：ISO14577-1、ISO14577-2和ISO14577-3规定了在所有力和位移范圈内块体材料的仪器化压人试验方法，注2：这里采用的分析中未考虑压痕的凸起(pile-up)或画陷（sink-in）。使用原子力显微镜（AFM)评价压痕的形状
以确定压痕周围表面的凸起或凹陷，这些表面效应导致分析中接触面积的低估（凸起）或高估（凹陷），进而可能影响测量结果。凸起道常发生在完全加工硬化的材料上。由于覆盖层塑性变形区减中应力的约束，软的延性好的薄覆盖层材料更易形成凸起。文献表明。测量硬度时凸起会导致实际接触面积的增加，而这种影响对压人模量的测量不明显，四为凸起部分的刚性偏低口.2]。
2规范性引用文件
下列文件中的内容通过文中的规范性引用丽构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的弓用文
件，仅该日期对应的版本适用于本文件：不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。
GB/T21838.1—2019 9金晨材料 硬度和材料参数的仪器化压人试验第1部分：试验方法 (ISO14577-1:2015,aDT)
ISO14577-2:2015金属材料有 硬度和材料参数的仪器化压人试验第2部分：试验机的检验和校准（Metallic materiels-Instrumented indentation test for hardness and materials perameters Part 2, Verification end calibration of testing mechines)
ISO/IEC指南98-3：2008（GUM：1995）测量不确定度第3部分：测量不确定度表示的导则
[Uncertainty of meesurementPart 3: Guide to the expression of uncertainty in measurement (GUM.1995)
3符号和悦明
G3/T21838.1一2019的表1及本文件的表1中给出的符号和说明适用于本文件。
1 GB/T21838.4—2020/ISO14577-4:2016
表1符号及说明
符号 a te Erre E rre * HrTe 对非圆形压痕，α为接触面积等效半径。
说明
单位 mm mm GPa GPa GPa
接触半径覆盖层厚度覆盖层的压入模量覆盖层的平面应变压入模量覆盖层的压入硬度
4试验机的校准和检验
试验机应按照ISO14577-2：2015的第4章进行校准和直接检验为证明压头不需要进行重新直接检验和压头顶端无缺陷或污物，应使用标准物质按ISO14577-2：
2015的第5章对其进行间接检验。
压人试验可根据覆盖层和基体系统需要的最优化的弹性和塑性变形来选择各种不同形状的压头。 典型的压头有维氏压头、玻氏压头、圆锥形压头、球形压头和立方角压头。
对覆盖层塑性性能的测量，建议使用尖锐的压头，覆盖层的厚度越小，所选用的压头宜越尖锐。对
覆盖层弹性性能的测量，如已知其面积函数，则可使用任何形状压头。如仅测量覆盖层的弹性性能，在可能的条件下，建议在完全弹性范围内进行压入试验，以避免覆盖层出现开裂、堆积和高螨变率。相对于顶端曲率半径小的压头，顶端曲率半径大的压头（或半径大的球形压头)更易在较大的试验力范围内产生完全弹性变形。但是，曲率半径太大和试样表面状况（表面粗糙度，表面层等)会极大影响测量不确定度。曲率半径太小，塑性变形开始前的最大试验力或位移将很小。可根据初步试验或模型优化试验条件（见第7章）。
5试样
5.1一般要求
通常，宜尽量减少试样表面的加工，若试样表面状况满足5.2、5.3和5.4的要求，试验宜在试样接收状态下进行测量。 5.2表面粗糙度
压入深度的减小将导致粗糙表面上压入试验结果的离散程度增加（见GB/T21838.1一2019的附
录E）。当表面粗糙度值Ra接近于压入深度时，压痕在试验面上峰和谷位置的不同会导致接触面积相差很大。在经验和设备允许的情况下，宜尽量使最终试验面平滑。表面粗糙度值Ra宜尽可能小于最大压人深度的5%。
注：对玻氏压头，试验面的法线与压痕轴线的角度大于7°时会使试验结果产生较大的误差[3]。压痕轴线和接触点
处的表面法线的夹角对试验结果影响更大。对粗糙表面，该角度与试样表面法线和压痕轴线的夹角也许会有显著不同。
Ra被推荐作为实用且容易理解的表面粗糙度参数，但是Ra是个平均值。尽管在表面上遇到最大峰值的可能性很小，但是其单个的峰值和谷值（由Rz定义)可能比Ra值本身大得多。研究覆盖层表面
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