医疗器械部件的硬度测试

医疗设备和电子行业生产的产品与普通硬质产品根本不同。这些具有关键最终用途的高科技产品往往要小得多，并且需要更精确的公差和更大的材料均匀性。他们的制造材料必须始终显示出所需的性能，以确保产品设计符合性能预期。

传统的材料测试方法并不总是适合表征医疗和电子设备中使用的组件和材料。压痕硬度测试通常被用作验证材料物理性能的经济方法，但是仅基于硬度表征的验收测试对高科技产品的制造商来说是一个陷阱。

现代制造业要求对建筑材料进行尽可能快速，准确的检查。医疗设备制造商在这方面面临特殊挑战。它们的成分样品通常很小，因此施加了特定的测试限制。在许多情况下，需要准确地表征小型高科技零件的材料物理特性，因此需要进行显微硬度测试。

现代制造业要求对建筑材料进行尽可能快速，准确的检查。医疗设备制造商在这方面面临特殊挑战。它们的成分样品通常很小，因此施加了特定的测试限制。在许多情况下，需要准确地表征小型高科技零件的材料物理特性，因此需要进行显微硬度测试。

但是，当将要测试的样品研磨和抛光后，即使是显微硬度测试，对于具有高精度要求的设备，也无法获得完全有用的结果。在对硬度测试进行一般性背景讨论之后，本文对这种样品制备对硬度测试结果的影响进行了实验研究。

硬度测试历史悠久。在早期，通常是为了鉴定有价值的金属或宝石而进行的。最早的标准化硬度等级之一是19世纪的莫氏硬度等级，该等级基于10种基准矿物质，其硬度从滑石到钻石逐渐增加。这些矿物中的每一种都能够刮擦鳞片之前的矿物。使另一种材料经受这种刮擦挑战是执行所谓的划痕硬度测试。另一类硬度测试与可加工性，磨损和磨损有关。这种测试通常因情况而异；开发该方法以便在一组特定的测试标准下提供比较数据。

压痕硬度。如今，在材料测试领域中所理解的硬度测试可在受控标准下测量材料的抗压痕性。但是，硬度的许多有效定义，大量的硬度测试方法以及各种类型的硬度测试设备使得显而易见，硬度并不是所有技术都能统一识别的基本材料条件。硬度应被认为是一种复合材料性能，它具有其他更基本的性能，例如屈服强度，弹性模量，材料对工作硬化的敏感性和拉伸强度。一种或另一种类型的硬度测试可以在任何材料上进行，通常与弹性体，聚合物，矿物，玻璃和所有类型的金属一起使用。通过硬度测试确定的制造材料的硬度在接受检查时进行常规检查。

硬度的最简单定义是材料抵抗压缩塑性（永久）变形的可量化能力。因此，在大多数材料中测试的硬度可以更精确地称为压痕硬度。压痕硬度测试（本文其余部分中的术语“ 硬度测试”应指代）是最常用的硬度测试。由于涵盖这些测试性能的规范很复杂，而且用于最终用途的材料种类繁多，因此设置测试程序有时会造成混乱。使用多种硬度标尺和多种测试程序，以及各种可用的测试设备和压头，使硬度测试变得更加复杂。

宏观硬度测试。散装材料通常通过宏观硬度测试（例如Rockwell系列）进行测试。洛氏硬度测试的方法在ASTM E18中定义。这些压痕硬度测试包括使用经过验证的机器在一定条件下将球形圆锥压头或硬钢球压头压入待测材料的表面，并在初步条件下测量所得压痕的深度差和总测试力（分别为次要载荷和主要载荷）。此程序在1932年被用作ASTM测试方法。

最常执行的Rockwell测试是Rockwell B（HRB）和C（HRC）。负载为150公斤的金刚石压头用于HRC测试，并且为1/16英寸。HRB测试使用负载为100 kg的球形压头。这些测试通常用于表征钢，淬硬钢和相对坚硬的有色金属。压头和负载的许多其他组合可用于洛氏硬度测试，以测试聚合物，较软的金属（如铜）和其他材料。

通常执行Rockwell测试是因为它们允许相对缺乏经验的操作员快速周转生成准确的数据。同样，对于许多已经进行了长达一个世纪的深度研究的材料而言，抗张强度可以通过硬度测量得出。因此，通过快速而廉价的硬度测试，可以检查材料以确定其是否符合包括抗拉强度特性的规格。为此，许多设计工程师指定了最低硬度。

在宏观硬度测试中，为了获得准确的硬度读数，压痕距样品任何边缘的距离必须至少为两个压痕直径，并且样品的厚度必须至少为两个压痕直径的最小值。当测量单个压痕时，得出的最小HRB测试样品尺寸约为5/16英寸直径乘以3/16英寸厚。这些最低要求是在洛氏硬度测试方法发展的早期阶段经过大量研究得出的。它们反映了较大的压头面积和较高的洛氏测试负荷特性，同时还需要确保测量的是实际样品硬度（而不是测试仪工作台的硬度）。如果测试的样品太薄或太小，压头都会使样品人为变形或穿透样品，测试结果不准确。宏观硬度测试还需要多个压痕以实现统计意义。这些重复使得需要相当大的样本量。

医疗制造商经常面临严峻限制宏观硬度测试实用性的挑战。例如，它们生产的许多零件太小而无法满足此类测试的样本大小要求，因此必须以较小的压痕进行测试。

显微硬度测试。宏观硬度测试通常包括使用大型压头-直径范围为1/16到1/2英寸的钢球（洛克威尔的金刚石叶片大约在该范围内），并且测试负载重达150公斤。显微硬度压头通常要小得多，这种测试中使用的测试负载也是如此。

较小的压头和轻的测试负载的结合为压头在样品上的放置以及被测材料的体积提供了很大的余地。在显微硬度测试中使用的少量材料允许在相应的小距离上执行多个压痕。然后可以进行遍历式测试。这些研究了在横截面部分的深度内或仅在涂层内的硬度变化。

显微硬度测试用于表征小零件，例如通常在医疗设备和电子组件中发现的零件。它们还可用于确定零件的涂层硬度和硬度曲线。在当今制造环境中的显微硬度测试涉及压痕硬度测量，而不是刮擦或其他类型的硬度方法。甚至纳米硬度压痕测试也正在研究其在材料表征中的潜在用途。它需要一个电子显微镜来检查压痕。

当今常用的两种显微硬度测试方法是维氏和努氏测试。维氏显微硬度测试使用方形菱形进行压痕。测量压痕的两个对角线，并从这些测量值计算出硬度。努氏显微硬度测试仪带有一个细长的菱形压头，该测试仅需对压痕进行一次测量（图1）。这些硬度测试基于与其他压痕型硬度测试相同的原理：在指定区域上的指定负载将比较硬的材料更深地穿透较软的材料。如果使用相同的方法对样品进行了测试，则可以对结果数据进行材料间的比较。但是，通过不同的测试方法生成的数据不容易比较。

由美国国家标准局（现为美国国家标准技术研究院）开发的努氏测试是美国最常用的显微硬度测试。努氏压头的形状使测试重复可以紧密放置在一起。所形成的压痕也比维氏压痕浅得多，这使得努氏测试对于确定涂层硬度和薄零件的硬度是优选的。

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