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增材制造（俗稱3D打印）是新型的材料成型技術，在航空航天、生物醫療，模具、汽車等行業有著廣泛的應用前景。金屬粉末是主要的增材制造合金用原料，一般需要對來料進行多種性能測試，包括硬度。增材制造金屬粉末的粒徑根據熱源的不同而有所差異，通常激光成形的粉末粒度范圍在15-53μm，電子束成形的粉末粒度在 53-105μm之間。這個尺寸范圍的樣品需要的測試載荷很低，相應的壓痕很小，只能通過顯微維氏硬度測試方法進行，且需要先進行金相制備以固定粉末顆粒及獲得滿足測試需求的表面。粉末樣品的金相制樣推薦使用環氧樹脂冷鑲嵌以更好地包裹粉末顆粒，并至少拋光到1μm使表面平整無明顯劃痕。

本案例中的鋁合金粉末顆粒的預估硬度值在25~35 HV，依據DIN EN ISO和ASTM標準(標準要求: 維氏壓痕對角線>20 μm)，意味著測試力應不低于15g(HV0.015) 。當然也可以采用更小的載荷來測試，但是屬于非標測試。畢竟當壓痕對角線長度小于20µm時，其讀數誤差對硬度結果非常敏感，可使硬度檢測結果偏差增大。此時建議選用具有閉環力值傳感器加載和成像清晰的高質量光學系統的高精度顯微硬度計，比如QATM Qness 60 EVO系列。

陶瓷材料除了擁有低密度和低熱膨脹率之外，還具有高硬度、低斷裂韌性以及高彈性模量等特點，廣泛運用于醫學工程、汽車和電氣等行業中的各種產品以及那些需要耐磨、耐熱、絕緣或耐腐蝕的涂層部件。

維氏和努氏是唯有的適用于1000HV以上的材料例如陶瓷的硬度測試方法，不過由于材料成分不同，陶瓷的硬度有時可能會接近2000HV。實際應用中針對陶瓷材料常采用小載荷維氏硬度法；另外由于努氏硬度法對陶瓷造成壓痕的深度和形成的裂紋都較小，所以也會運用于陶瓷涂層的硬度測試。

不過，維氏或努氏這樣的光學類硬度測試方法對于陶瓷樣品的制樣效果十分敏感。為了獲得一個適合于硬度測試的表面，建議使用精磨或者拋光來做表面處理，以降低硬度壓痕能在陶瓷表面清晰顯示的難度。由于陶瓷材料的特性，樣品表面很可能會很暗或者發黑，這使得在光學顯微鏡頭下進行壓痕測量變得十分困難。較低的載荷力和較差的測試表面，有可能會導致自動測量壓痕對角線時不精準，需要手動修正。此時如果光學測量系統能夠在成像清晰外提供良好對比度，會極大的提高自動化水平、降低手動修正的概率。

此外，斷裂韌性是評價陶瓷材料力學性能的重要指標。常規的斷裂韌性測試做法是將樣品制備成規定的形狀，使用三點彎曲法。但是對于脆性較大的陶瓷材料，制備三點彎曲試樣的成功率較低，此時可考慮使用硬度法進行斷裂韌性的測試。QATM顯微硬度計上可選的KIC模塊可精確測量壓痕裂紋長度，由軟件自動顯示KIC測量結果（基于Shetty計算公式，也可按需求在軟件中加入其它公式算法），方便快捷。

更強更韌的工程材料始終是材料學領域的追求目標。近來，微觀結構梯度強化的概念被越來越多地應用于工程材料中，得益于其*的變形機制，梯度結構材料普遍表現出較好的強度、硬度、加工硬化及抗疲勞性能等。中國科學院金屬研究所盧磊研究員極其合作伙伴通過直流電解沉積技術，獲得結構梯度定量可控的納米孿晶銅材料，進一步提高了材料的強度極限。該項研究成果以研究長文的形式發表在《Science》（《科學》）2018年11月期刊上，其中納米孿晶梯度層的硬度測試就由QATM Qness顯微硬度計完成。在這項研究工作中，可控梯度的納米孿晶微結構銅樣品沿厚度方向分為ABCD四個層次，其柱狀晶尺寸及孿晶大小和密度均不相同，從下面的示意圖和掃描、透射電鏡照片均可看出。其梯度變化尺度在100微米左右，因此可以分別測量各梯度層的硬度，為顯微硬度計的應用提供了施展空間。

沉積好的樣品經過機械拋光和電化學拋光后，在原QATM Qness Q10A+（現Qness 60A+ EVO）顯微硬度計上進行樣品沿梯度方向的截面硬度測試。作者定義了結構梯度因子，即沿梯度方向每單位長度的硬度變化量，用以標度所制備的不同梯度變化的樣品。硬度測試采用的試驗力為50g，保載時間10s，每個梯度分別測試5 ~10個點。結果發現，從A層到D層，隨著晶粒尺寸的增大，截面硬度逐漸從1.5 GPa 降低到0.8 GPa, 結構梯度因子s= 1.75GPa/mm。

寫到這里，可能會有人疑惑這么高精尖的納米材料的硬度測試，作者為什么不選用更為精細敏銳的納米壓痕測試設備，而選用了傳統的顯微硬度計呢？這還要從實驗中銅納米孿晶樣品的梯度層次的宏觀尺度說起。如前圖所述，每個梯度層的厚度在100微米左右，而晶粒的尺寸范圍在2.5~15微米之間。采用顯微硬度測試手段，壓痕可以覆蓋更多的晶粒范圍，從而有助于得到每個梯度層區間準確的宏觀硬度值范圍。比如這里采用50g的載荷，樣品的硬度值換算后大致在80~150HV區間，那么根據維氏硬度的定義公式可以反推壓痕的對角線長度為25~34微米左右，相當妥帖。相反，如果采用納米壓痕測試，壓痕大概率會落在晶內、晶界、孿晶等不同區域，硬度值波動大，無法反映出所在梯度層的綜合硬度范圍。