ICS 77.040.10 H 22
GB
中华人民共和国国家标准
GB/T21838.1—2019/ISO14577-1:2015
代替GB/T21838.1—2008
金属材料 硬度和材料参数的仪器化压入试验 第1部分：试验方法
Metallic materialsInstrumented indentationtestforhardness
andmaterialsparameters-Part1:Testmethod
(ISO14577-1:2015,IDT)
2020-07-01实施
2019-08-30发布
国家市场监督管理总局 发布中国国家标准化管理委员会 GB/T21838.1—2019/ISO14577-1:2015
目 次
前言引言
范围 2 规范性引用文件
符号和说明试验原理试验机 6 试样
3
5
试验程序试验结果的不确定度 9试验报告附录A（规范性附录） 根据试验力-压人深度数据测定材料参数附录B（资料性附录） 压入试验过程所用的控制方式附录C（规范性附录） 试验机柔度和压头面积函数附录D（资料性附录） 关于金刚石压头的说明附录E（规范性附录） 试样表面粗糙度对试验结果准确度的影响附录F（资料性附录） 压入硬度Hπ和维氏硬度HV的换算附录G（规范性附录） 漂移率和蠕变率测定附录H（资料性附录） 硬度和材料参数值的不确定度评定附录I（规范性附录） 径向位移的修正计算参考文献
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32 GB/T21838.1—2019/ISO14577-1:2015
前言
GB/T21838《金属材料硬度和材料参数的仪器化压入试验》分为四个部分：
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。 本部分为GB/T21838的第1部分。 本部分按照GB/T1.1一2009给出的规则起草。 本部分代替GB/T21838.1一2008《金属材料硬度和材料参数的仪器化压痕试验 第1部分：试
验方法》，与GB/T21838.1一2008相比，主要技术变化如下：
标准名称由《金属材料硬度和材料参数的仪器化压痕试验第1部分：试验方法》改为《金属材料硬度和材料参数的仪器化压入试验 第1部分：试验方法》；增加了符号和说明（见第3章）；增加了试验面清洗方法（见第6章）；增加了马氏硬度HMair的测定（见A.3.3）；细化了压入模量Eπ的测定（见A.5.1，2008年版的A.5.1）；增加了平面应变模量E"的测定（见A.5.2)；增加了规范性附录G“漂移率和蠕变率测定”（见附录G)；
-
增加了资料性附录H"硬度和材料参数值的不确定度评定”（见附录F)；增加了规范性附录I"径向位移的修正计算”（见附录I)。
本部分使用翻译法等同采用国际标准ISO14577-1：2015《金属材料 硬度和材料参数的仪器化压人试验第1部分：试验方法》。
与本部分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/T21838.2一2008金属材料硬度和材料参数的仪器化压痕试验第2部分：试验机的检验和校准（ISO14577-2：2002，MOD）； GB/T27418—2017测量不确定度评定和表示（ISO/IECGuide98-32008，MOD）。
本部分由中国钢铁工业协会提出。 本部分由全国钢标准化技术委员会（SAC/TC183）归口。 本部分起草单位：上海材料研究所、武汉华拓量测科技有限公司、武汉钢铁有限公司、钢研纳克检测
技术股份有限公司。
本部分主要起草人：王滨、侯晓东、李荣锋、高怡斐、沙菲、王春亮、王博亚。 本部分所代替标准的历次版本发布情况为：
GB/T21838.1—2008。
II GB/T 21838.1—2019/IS014577-1:2015
引言
硬度的经典定义是一种材料抵抗另一种较硬材料压入产生永久压痕的能力。进行洛氏、维氏和布氏硬度试验时得到的试验结果是在卸除试验力以后测定的。因此，忽略了在压头作用下材料弹性形变的影响。
GB/T21838（所有部分）的制定，使用户能够在材料的塑性和弹性变形过程中通过研究力和形变两者的关系来评定材料的压人特性。通过监控试验力施加和卸除的整个周期，本方法能够测定出与传统硬度值等效的硬度值。具有重要意义的是，本方法还能够测定压人模量和弹-塑性条件下的硬度值，不需要采用光学法测量压痕大小，就能计算上述所有的值。此外，借助各种技术，仪器化压入试验可以记录一个可能复杂的压入试验循环中硬度和模量沿深度的分布
GB/T21838（所有部分）的制定得以对各种试验后的数据进行深入分析。
IV GB/T21838.1—2019/IS14577-1:2015
金属材料硬度和材料参数的
仪器化压入试验第1部分：试验方法
1范围
GB/T21838的本部分规定了下列三个范围内金属材料仪器化压人试验法测定硬度和其他材料参数的方法：
宏观范围：2N≤F≤30kN；一显微范围：F<2N,h>0.2um；
纳米范围：h≤0.2μm。 对纳米范围，力学变形严重依赖于压头顶端的实际形状，试验机所用的压头接触面积函数会严重影
响材料参数的计算。因此，为了使不同仪器测得的材料参数的复现性在可接受范围内，需要仔细校准仪器和压头形状。
宏观和显微范围是按照相对于压人深度的试验力大小区分的。 注意，显微范围上限以试验力（2N)表示，下限以压入深度（0.2μm）表示。 硬度和其他材料参数的测定见附录A。 宏观范围内通常使用硬质合金压头，因为接触压力大时压头易损坏。对于检测硬度值和弹性模量
较高的样品，可以通过标准块来检测压头可能产生的永久变形，并且需要考虑压头永久变形对试验结果的影响。
本部分也可适用于薄的金属和非金属覆盖层以及非金属材料。在这种情况下，宜参考相关的标准（见6.3和ISO14577-4)。
2规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是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。
ISO14577-2：2015金属材料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（Metallicmaterials—Instrumentedindentationtestforhardnessandmaterialsparameters—Part 2: Verification and calibration of testing machines)
ISO/IECGuide98-3：2008（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 measurementPart 3:Guide to the expression of uncertainty in measurement (GUM:1995)
3符号和说明
本部分使用的符号和相应的说明见表1、图1及图2。
1 GB/T21838.1—2019/ISO14577-1:2015
表 1 符号和说明
说 明
符 号 A,(hc) 从压头顶端到h。处的压头接触投影面积 A,(h)
单 位 mm mm* % nm/mN nm/mN nm/mN GPa GPa N N mm mm mm mm mm GPa GPa GPa GPa
从压头顶端到h处的压头表面积压人蠕变率总接触柔度测量值（最大试验力时卸除试验力曲线的切线值d/dr）试验机柔度试验机柔度校正后的接触柔度试样压人模量平面应变条件下接触点测量得到的折合模量（包含试样和压头的平面应变模量）试验力
Cr Cr Cr Cs Er E, F Fa 最大试验力 h
施加试验力下的压人深度最大试验力下压头与试样的接触压人深度最大试验力下的最大压人深度卸除试验力后残余压人深度曲线6的最大试验力处的切线c与压入深度坐标轴的交点（见图1) 压人硬度马氏硬度根据施加试验力-压人深度曲线的斜率测得的马氏硬度马氏硬度，由h和/F的一阶导数确定试样的泊松比球形压头的半径压入松弛率
he h mx hp h, Hr HM HMs HMas U, / Rrr Wean 压人弹性形变功 Weol 压人总机械功 a
mm % N·m N·m 。 0 %
正圆锥体压头半角或棱锥体压头表面和压入轴向之间的角度试样表面和压头之间的最大角度，用于计算径向位移 Wela / eroal 之比
0 71T 注1：为了避免出现较长数字，允许使用分数。 注2：允许继续使用单位1N/mm，1N/mm=1MPa。
2 GB/T21838.1—2019/ISO14577-1:2015
F i
h
h max
说明：
试验力施加曲线；试验力卸除曲线；曲线b在Fmax的切线。
a
b
图1试验过程示意图
说明：
压头： “具有完美塑性响应”试样残余压痕表面；最大压人深度和试验力下试样的表面；试样表面和压头之间的最大角度。
2
b
c 0.
图2具有凹陷特征材料压入的横截面示意图
4试验原理
应采用一个硬度高于试样的压头，通过对试验力和压人深度的连续记录，测定材料的硬度和其他性能参数（见图1和图2）。压头的形状、材料如下：
a) 每一面与金刚石棱锥轴呈68°的正四棱锥金刚石压头（维氏压头，见图A.1）； b） 正三棱锥体的金刚石压头（例如，改进型玻氏压头，其为每一面与金刚石棱锥轴呈65.27°的正
三棱锥金刚石压头，见图A.1)；硬质合金球形压头（尤其适用于材料弹性行为的测定）；
c)
d) 顶端为球形的圆锥形金刚石压头。 本部分不排除使用其他几何形状的压头，然而当使用这样的压头时，宜注意对报告试验结果注明所
使用的压头并考虑其对测试结果的影响，也可使用其他材料的压头（如蓝宝石等）。
3 GB/T 21838.1—2019/ISO14577-1:2015
注：金刚石的晶体结构，使其压头的形状只能是接近于球形的多面体而不是理想的球形。 试验过程可以采用控制试验力方法，也可以采用控制位移方法。记录整个试验过程中试验力（F）
相应的压人深度（h）和时间。试验结果是一组作为时间函数的试验力及相应的压人深度数据（参见图1和附录B)。
为保证试验力与压入深度数据的复现性，每次试验时应设定试验力/压入深度的零点（见7.3）。 在测定材料时效特性的时候可以采用以下方法： a) 采用控制试验力方法，在给定时间内保持试验力恒定，测量该试验力下压人深度随时间的变化
（见图A.3和图B.1)； b) 采用控制压人深度方法，在给定时间内保持压入深度恒定，测量该压入深度下试验力随时间的
变化（见图A.4和图B.2）。 图B.1a)和图B.2b)或图B.1b)和图B.2a)中曲线上的线段b给出了采用两种控制方法测得的完
全不同的结果。
5试验机
5.1试验机应能在要求的范围内施加预定的试验力或位移，并符合ISO14577-2的要求。 5.2试验机应能测量和报告整个试验循环中施加的试验力、压人深度和时间。 5.3 试验机应能补偿机架柔度和选用合适的压头面积函数（见附录C和ISO14577-2：2015中的4.5和 4.6)。 5.4试验机可使用ISO14577-2中规定的各种形状的压头（关于金刚石压头的详细信息参见附录D）。 5.5试验机应在7.1所规定的温度范围内工作，并应在ISO14577-2：2015中第4章描述的范围内维持它的校准状态。
6试样
6.1对于不同压入范围，试验应在能够确定测量试验力/压人深度曲线的试验面上进行，以达到相对应的不确定度要求。压头和试样接触区域内应无液体或润滑剂（除非试验本身有要求，应在试验报告中详细描述），宜注意防止外来污物（如灰尘颗粒)混入接触区域
通常，若试验面无明显的表面污染，宜避免表面清洗。如要求清洗时，应采用对表面损坏最小的方法：
使用干的、无油的过滤气体：使用二氧化碳喷雾清洗（但保持表面温度高于露点）；使用不与试样发生化学反应的溶剂清洗，然后使其干燥。
如果这些方法无效且试验面足够结实，可用浸泡过溶剂的无绒布擦洗以去除试验面上的灰尘，然后，试验面应按上述方法使用溶剂清洗，
超声波方法会造成或加重表面和覆盖层的损坏，使用时宜注意。 附录E给出了表面粗糙度对试验结果不确定度影响的说明：表面粗糙度对试验结果的影响很大。 试样表面应与试验力施加方向垂直，建议倾斜度不超过1°。不确定度计算时应考虑试样表面的倾
斜度的影响。 6.2试样表面的制备应使受热或冷加工等因素对表面硬度和/或残余应力的影响减至最小。
由于显微和纳来范围试验时的压入深度很浅，在试样制备时应特别注意，对于特殊材料应采取适用
的抛光工艺。 6.3应使试样厚度足够大或压人深度足够小，以保证试验结果不受试样固定支撑装置的影响。试样厚 4