邵 勇
(四川中核艾瑞特工程檢測(cè)有限公司,四川 綿陽(yáng) 621000)
維氏硬度計(jì)被廣泛運(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn)、運(yùn)用于科研單位、大專院校、產(chǎn)企業(yè)及檢測(cè)機(jī)構(gòu);對(duì)維氏硬度計(jì)使用中幾種影響因素的控制也都有比較完善的的方法,如試樣表面粗糙度、檢驗(yàn)面與壓頭的角度等。由于測(cè)量標(biāo)線(目鏡刻線)很細(xì)(目鏡觀測(cè)下為0.1mm),在檢測(cè)過程中通常忽略線寬,即認(rèn)為標(biāo)線為是絕對(duì)細(xì)的,線寬為零。但實(shí)際測(cè)量中標(biāo)線的寬度是客觀存在的且與人眼辨別能力形成復(fù)合作用,影響材料的硬度檢測(cè)值,文章在維氏硬度檢測(cè)領(lǐng)域首次考慮了人眼分辨能力和測(cè)量標(biāo)線寬度兩個(gè)影響因素,并對(duì)其影響程度進(jìn)行了分析。
維氏硬度計(jì)工作原理是:將頂部?jī)上鄬?duì)面具有規(guī)定角度的正四棱錐體金剛石壓頭用一定的試驗(yàn)力壓入試樣表面,保持規(guī)定時(shí)間后,卸除試驗(yàn)力,測(cè)量試樣表面壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度。維氏硬度值與試驗(yàn)力除于壓痕表面積的商成正比。
圖1 試驗(yàn)原理
測(cè)得壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度代入式1,或者查找硬度表即可得到材料硬度值。
試驗(yàn)前進(jìn)行調(diào)零——兩標(biāo)線重合間距為零(也可以定義兩標(biāo)線剛剛接觸時(shí)為零點(diǎn))。移動(dòng)標(biāo)線1、2 分別與壓痕相對(duì)的兩個(gè)棱角重合,則標(biāo)線1、2 之間的距離就是壓痕對(duì)角線的長(zhǎng)度。
圖2 壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度測(cè)量示意圖
實(shí)際測(cè)量中標(biāo)線的寬度是客觀存在的,就圖2 紅色圓圈部分對(duì)角線測(cè)量時(shí)的標(biāo)線與壓痕棱角可能存在的幾種接觸情況進(jìn)行分析,存在以下5 中接觸:
圖3 壓痕棱角與測(cè)量標(biāo)線接觸情況
當(dāng)標(biāo)線寬度不可忽略時(shí),測(cè)量理論標(biāo)線應(yīng)是實(shí)際標(biāo)線的中軸線(圖4 紅色虛線),因此在圖3 所示的5 種標(biāo)線與壓痕棱角接觸情況中1 、5 產(chǎn)生的偏差最大。
圖 4
圖 5
通常人眼的最小辨別尺寸約為0.085mm,即兩個(gè)物體間距在0.085mm 范圍內(nèi)時(shí)人眼感觀判斷兩個(gè)物體是接觸的。經(jīng)驗(yàn)證,檢測(cè)人員長(zhǎng)期熟練操作時(shí)的辨別能力能達(dá)到0.05mm。如圖5所示,壓痕棱角距離標(biāo)線左右邊線的距離均為0.05mm 時(shí)檢測(cè)員人眼“判斷”棱角與標(biāo)線“重合”,此時(shí)偏差均為0.05mm+0.5倍標(biāo)線寬度。
以目鏡視野下(10X)標(biāo)線寬度為0.1mm 進(jìn)行分析,測(cè)量對(duì)角線長(zhǎng)度時(shí)相對(duì)兩邊的偏差均為±0.1mm,則兩邊累計(jì)誤差為±0.2mm。實(shí)際測(cè)量讀數(shù)時(shí)要對(duì)壓痕形狀進(jìn)行放大測(cè)量,因此實(shí)際測(cè)量時(shí)的誤差會(huì)因放大倍數(shù)的增大而被不同程度的減小,詳見表1。
表1 不同觀測(cè)倍數(shù)下壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度測(cè)量偏差(mm)
以HV5、HV10、HV20、HV30、HV50 五種常用的試驗(yàn)力,測(cè)得100HV、200HV、300HV、400HV、500HV 五個(gè)硬度值時(shí)產(chǎn)生的對(duì)角線平均長(zhǎng)度,通過公式1 進(jìn)行計(jì)算可以得到,詳見表2。
表2 不同試驗(yàn)力值測(cè)量不同硬度值時(shí)產(chǎn)生的對(duì)角線理論長(zhǎng)度(mm)
將偏差帶入已知的對(duì)角線長(zhǎng)度數(shù)據(jù)得到偏差影響后的對(duì)角線長(zhǎng)度測(cè)量值,以100HV 值為例可得下表:
表3 100HV 材料在偏差影響下的對(duì)角線長(zhǎng)度測(cè)量值(mm)
將表3 的數(shù)據(jù)代入公式1 中計(jì)算硬度值并與原始值100HV 比較,可以得到硬度檢測(cè)值的最大偏差,同理,分別算出200HV至500HV 硬度值偏差匯總:
表4 不同硬度值的檢測(cè)值偏差(HV)
從表5 可以可知,使用HV5 力值和100X 測(cè)量倍數(shù)產(chǎn)生的偏差最大,100HV-500HV 分別達(dá)到了1.3%、1.8%、2.3%、2.6%、2.9%;而使用HV50 力值和400X 測(cè)量倍數(shù)產(chǎn)生的偏差最小,100HV-500HV 分別為0.1%、0.1%、0.2%、0.2%、0.2%,其偏差趨勢(shì)圖如下:
圖6
偏差趨勢(shì)圖形狀像一個(gè)向右開口的疊層花筒(外層花筒是低倍偏差線內(nèi)側(cè)喇叭上高倍偏差線),花筒上半部分略寬,并且硬度值越大花筒開口越大。
對(duì)角線長(zhǎng)度測(cè)量值偏差數(shù)據(jù)、硬度值偏差數(shù)據(jù)以及硬度值偏差趨勢(shì)圖進(jìn)行總結(jié)分析,正常人眼分辨能力下標(biāo)線寬度影響造成的偏差有以下幾個(gè)結(jié)論:
該偏差在一定的條件下會(huì)超過2%,不容忽視;
同一硬度值測(cè)量,若放大倍數(shù)相同,隨著試驗(yàn)力值的增加(HV5 至HV50)偏差逐步降低;
同一硬度值測(cè)量,若試驗(yàn)力值相同,放大倍數(shù)越大偏差越?。?/p>
試驗(yàn)力值和放大倍數(shù)相同時(shí),樣品的硬度值越大其偏差越大。
當(dāng)對(duì)角線長(zhǎng)度偏差為負(fù)時(shí)其硬度值偏差為正,同樣數(shù)值的負(fù)長(zhǎng)
度偏差造成的硬度值偏差大于正長(zhǎng)度偏差造成的硬度值負(fù)偏差絕對(duì)值。
根據(jù)以上結(jié)論,并結(jié)合公式1 可知標(biāo)線寬度的偏差是作用在d 上,要減小偏差值對(duì)結(jié)果的影響就要降低偏差值對(duì)d 的相對(duì)比值:
(1)偏差不變,增大d 值——選用高試驗(yàn)力值;
(2)d 值不變,減小偏差影響——選用高放大倍數(shù)。
但是在實(shí)際運(yùn)用中,選用高試驗(yàn)力值、高放大倍數(shù)是受到限制的,要結(jié)合實(shí)際情況選用,其主要限制有以下4 條:
(1)部分情況下,試驗(yàn)力值是試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)指定的,不得更改;
(2)頻繁使用高的試驗(yàn)力值檢測(cè)高硬度材料時(shí)容易損壞試驗(yàn)機(jī)壓頭;
(3)試驗(yàn)機(jī)的放大倍數(shù)調(diào)整空間有限,一般目鏡固定10X,物鏡為1~3 個(gè)固定可調(diào)倍率(10X、20X、40X);
(4)讀數(shù)時(shí)視野是有限的,選用越高的放大倍數(shù)其能夠測(cè)量到的實(shí)際尺寸越小。
文章是基于正常人眼的分辨能力進(jìn)行分析的,未考慮不同視力情況下的分辨能力和光柵衍射等其他影響。