標準人工缺陷復型測量與直接測量的偏差分析

樊 萌 張重遠

(中國科學院金屬研究所，沈陽 110016)

0 引言

標準人工缺陷用于探傷設(shè)備的調(diào)試、綜合性能測試和使用過程中的定時校驗，它是評定自然缺陷當量的依據(jù)[1]。人工缺陷尺寸的準確程度對缺陷當量的評價尤為重要。根據(jù)GB/T 5777—2008要求，人工缺陷深度可用光學方法、復型方法或其他方法測量。

直接測量法的優(yōu)點是數(shù)據(jù)更加真實，但由于需要切取人工缺陷的剖面進行測量，具有破壞性，不能保留樣品原樣，所以一般不采取直接測量方法；復型法[2]是用一種可塑性材料充滿在人工缺陷內(nèi)，經(jīng)過凝固成型后取出，真實再現(xiàn)人工缺陷的整體形貌，取其剖面在顯微鏡下對人工缺陷寬度、深度進行測量的方法。復型測量[3]與直接測量之間必定存在偏差，找到二者偏差的規(guī)律十分重要[4]。本文通過一系列實驗并通過分析確定出了復型測量與直接測量的偏差值。

1 試樣制備與實驗方法

取一段長度為800～900mm、規(guī)格為φ12×1.2mm的1Cr18Ni10Ti管材作為試樣進行加工，采用電火花加工機分別制作目標深度為0.05mm的U型人工缺陷4個，目標深度為0.07mm的U型人工缺陷4個，目標深度為0.10mm的U型人工缺陷4個，目標深度為0.12mm的U型人工缺陷2個，共獲得了14個人工缺陷[5]。對每個人工缺陷的三個位置(中間位置及距兩端1mm的位置)進行測量，可得到42個測量剖面，對這42個剖面分別進行復型測量及直接測量，獲取實驗數(shù)據(jù)。測量使用的是蔡司Axiovert 200 MAT 金相顯微鏡。

2 實驗結(jié)果

對比復型測量結(jié)果與直接測量結(jié)果，得到二者的偏差。因為實驗的目標值不同，分別為0.05mm，0.07mm，0.10mm，0.12mm ，所以為了表達方便統(tǒng)一，采用相對偏差來表示二者的偏差。(相對偏差=偏差/目標值×100%)。實驗數(shù)據(jù)見表1～表4。

表1 目標值為0.05mm分析結(jié)果

表2 目標值為0.07mm分析結(jié)果

表3 目標值為0.10mm的分析結(jié)果

表4 目標值為0.12mm的分析結(jié)果

從表1～表4中可以看出，復型測量與直接測量的相對偏差處于-10%～4%區(qū)間，對42個相對偏差計算平均值，其結(jié)果為-4%。因此當對復型測量結(jié)果進行修正時，取修正值為4%，其結(jié)果將更準確，更接近于直接測量值。

3 分析討論

3.1 影響測量結(jié)果的因素

復型測量較直接測量多了“復型—測量截面制作”這一過程。而復型采用的是Struers三維復型系統(tǒng)RepliSet，該復型系統(tǒng)分辨力高，精度可達0.1μm，且基本無收縮，因而復型對測量結(jié)果的影響可忽略。在這種的情況下，測量截面制作則成為造成測量偏差的主要原因。測量截面的制作關(guān)健點有兩個：一是測量截面的截取位置;二是測量截面的截取角度。

3.1.1 測量截面的截取位置的影響

按GB/T 5777—2008要求采用電蝕加工的方法進行人工缺陷制作。電蝕加工基于電火花腐蝕原理，是在工具電極與工件電極相互靠近時，極間形成脈沖性火花放電，在電火花通道中產(chǎn)生瞬時高溫，使金屬局部熔化，甚至氣化，從而將金屬蝕除下來。在電火花加工過程中，不僅工件會被電蝕，電極也會被電蝕，且越靠近電極的端部損耗也越大。因而人工缺陷的兩端深度是不均勻的。圖1是利用型號為OLS400的OLYMPUS全自動激光共聚焦掃描顯微鏡[6]得到的人工缺陷端部圖片，由圖1可以看出，如果測量截面取在人工缺陷端部，則測量結(jié)果不能代表人工缺陷的真實深度。

圖1 人工缺陷端面

3.1.2 測量截面截取角度的影響

如果測量截面不在同一平面內(nèi)，則不利于聚焦，會影響測量結(jié)果。

目前測量截面樣品是用刀片切割后獲得，如切后的剖面垂直性好，則其測量結(jié)果會如圖2(a)，圖像邊緣清晰，測量準確；如切后的剖面垂直性不好，則會出現(xiàn)圖2(b)、(c)的現(xiàn)象，有虛、有實，在這種情況下測量，則會引入很大的不確定因素。

圖2 測量截面圖

3.2 測量技術(shù)方面的優(yōu)勢

人工缺陷復形測量更為可靠的方法是采用激光共聚焦顯微鏡測量復型尺寸，圖3是利用激光共聚焦顯微鏡拍取的人工缺陷復型樣品局部圖。激光共聚焦顯微鏡原理是采用激光束逐點掃描聚焦成像，與普通顯微鏡相比，在測量復型尺寸方面的優(yōu)勢是：

1)不用切片，實現(xiàn)3D觀察；

2)可任取截面測量；

3)可直觀去除不合理測量截面，數(shù)據(jù)更準確；

4)數(shù)字化保存和傳播。

圖3 人工缺陷復型樣品局部

4 結(jié)束語

在用復型法檢定管材標準人工缺陷時，測量截面位置和角度會影響測量結(jié)果。采用激光共聚焦顯微鏡測量人工缺陷復型具有直觀和不用切片等優(yōu)勢，當對復型測量結(jié)果進行偏差分析和修正后，結(jié)果將更準確，既符合GB/T 5777—2008的公差要求，又更接近于直接測量值。

[1] GB/T 5777—2008無縫鋼管超聲波探傷檢驗方法

[2] YB/T 145—1998鋼管探傷對比試樣人工缺陷尺寸測量方法

[3] 楊建芳,任曉云.鋼管探傷對比試樣人工缺陷尺寸的測量方法可行性分析.現(xiàn)代測量與實驗室管理， 2008,16(4)

[4] 山岳.測量的學問(二十一) .計量技術(shù)，1988(10)

[5] 江蘇省電加工室譯.電火花精密微小加工——標準人工缺陷的電火花加工.電加工與模具，1973(02)

[6] 孫大樂,等.激光共聚焦顯微鏡在磨損表面粗糙度表征中的應(yīng)用.中國激光， 2008,35(9)