通過洛氏硬度試驗(yàn)國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)誤差進(jìn)行分析

潘 偉

(西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系力學(xué)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710014)

一 常見洛氏硬度試驗(yàn)誤差產(chǎn)生的原因

(一)洛氏硬度計(jì)自身造成的誤差

1.試驗(yàn)力的不正確。洛氏硬度值是根據(jù)壓痕殘余深度計(jì)算的，壓入深度與試驗(yàn)力的大小密切相關(guān)。以C標(biāo)尺為例，洛氏硬度試驗(yàn)的原理是頂角為120度金剛石錐體壓頭先后兩次壓入被測(cè)試樣，第一次施加初試驗(yàn)力，第二次加主試驗(yàn)力，兩次試驗(yàn)力加起來為總試驗(yàn)力，保持一定時(shí)間后卸載主試驗(yàn)力，測(cè)量在初試驗(yàn)力下殘留的壓痕深度。如果初試驗(yàn)力大于基準(zhǔn)值，壓痕深度就會(huì)增大，使洛氏硬度值偏高，反之硬度值偏低。

2.壓頭問題。金剛石壓頭在使用一定時(shí)間后，造成錐體壓頭出現(xiàn)缺陷或過于粗糙，致使圓錐角和頂端球面不符合標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)圓錐角大于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，壓痕深度變小，測(cè)得硬度值高，對(duì)于低硬度材質(zhì)產(chǎn)生誤差較大。對(duì)于球壓頭，球體直徑、圓度及表面缺陷同樣造成硬度值誤差，當(dāng)球體壓頭直徑大于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，壓痕深度變小，測(cè)得硬度值偏高，對(duì)于高硬度材質(zhì)產(chǎn)生誤差較大。

3.測(cè)試裝置穩(wěn)定性不夠。當(dāng)測(cè)試裝置不穩(wěn)定時(shí)，在測(cè)驗(yàn)力作用下會(huì)產(chǎn)生彈性變形，將會(huì)引起壓痕測(cè)量深度不準(zhǔn)確。當(dāng)工作臺(tái)不夠水平時(shí)也會(huì)造成硬度值測(cè)試結(jié)果偏低。

(二)被測(cè)試樣造成的誤差

1.被測(cè)試樣表面粗糙度對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。在洛氏硬度試驗(yàn)中被測(cè)試樣制備和質(zhì)量對(duì)洛氏硬度測(cè)試結(jié)果影響十分明顯。如果試樣表面粗糙度達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，高硬度材料測(cè)試的硬度結(jié)果偏高，低硬度材料測(cè)試的結(jié)果就會(huì)偏低。

2.被測(cè)試樣表面潔凈度對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。試樣表面的油污、氧化也會(huì)造成測(cè)試結(jié)果偏低。

3.被測(cè)試樣表面形狀對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。根據(jù)洛氏硬度試驗(yàn)原理，理想的試樣應(yīng)是平面的，而很多被測(cè)工件是曲面的，這樣測(cè)得的結(jié)果誤差比平面試樣大的多。

(三)試驗(yàn)操作造成的誤差

1.測(cè)試標(biāo)尺不正確。在做洛氏硬度試驗(yàn)時(shí)沒有根據(jù)試樣情況選擇合適的測(cè)試標(biāo)尺，若試樣硬度小于20HRC，直接用C標(biāo)尺測(cè)試，壓痕很深，誤差會(huì)增大。當(dāng)試樣硬度高于67HRC時(shí)，壓痕變淺，可能損壞壓頭。

2.加載速度和保持時(shí)間問題。在試驗(yàn)中試驗(yàn)力加載速度和總試驗(yàn)力保持時(shí)間對(duì)測(cè)試結(jié)果有影響，加載速度快會(huì)增加慣性力，使測(cè)試結(jié)果偏低，總試驗(yàn)力保持時(shí)間越長(zhǎng)，測(cè)試結(jié)果就會(huì)越低。

3.壓痕間距問題。當(dāng)試樣上壓痕中心距離太近時(shí)，因試樣壓痕周圍的硬化會(huì)使相鄰壓痕

4.曲面試樣未按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定加修正值。在不同直徑的圓柱試樣上測(cè)得的洛氏硬度值均比平面試樣上測(cè)得的硬度值低，所以在測(cè)試曲面試樣時(shí)，測(cè)試結(jié)果必須按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定加修正值。

二 減少洛氏硬度試驗(yàn)誤差的措施

任何測(cè)量都會(huì)受到隨機(jī)和系統(tǒng)兩方面的影響，所以任何測(cè)量都會(huì)有或大或小的誤差，如果我們按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求進(jìn)行測(cè)試，測(cè)量誤差就可以在一定適度上得到控制。我們?cè)诼迨嫌捕仍囼?yàn)中可以采取以下措施，從而減小試驗(yàn)誤差。

(一)定期對(duì)洛氏硬度計(jì)進(jìn)行保養(yǎng)和檢驗(yàn)

1.校準(zhǔn)試驗(yàn)力。可以用標(biāo)準(zhǔn)塊在主軸移動(dòng)范圍內(nèi)一定間隔3個(gè)位置以上進(jìn)行測(cè)試。新國家標(biāo)準(zhǔn)要求初實(shí)驗(yàn)力充許誤差不大于標(biāo)稱值的±2.0%，總實(shí)驗(yàn)力充許誤差不大于標(biāo)稱值的±1.0%。如果初實(shí)驗(yàn)力超出標(biāo)稱值，一要檢查加力杠桿調(diào)整塊位置是否松動(dòng)或改變。二要檢查加力吊盤位置是否有偏差，主軸系統(tǒng)摩擦力增大等。總試驗(yàn)力超出標(biāo)稱值時(shí)首先檢查初試驗(yàn)力是否正確，其次是檢查支點(diǎn)刀刃和加力主刀刃是否出現(xiàn)問題。

2.檢驗(yàn)壓頭。一是可以對(duì)金剛石圓錐壓頭進(jìn)行直接檢驗(yàn)，在4個(gè)以上等間隔截面上測(cè)量壓頭形狀，在0.3mm壓入深度內(nèi)金剛石圓錐球面應(yīng)拋光，無表面缺陷，錐面與球面應(yīng)完全相切。按新國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，金剛石圓錐頂角應(yīng)為120°±0.35°。金剛石圓錐體軸線與壓頭柄軸線夾角應(yīng)小于0.5°。二是對(duì)球壓頭的檢驗(yàn)，球的表面應(yīng)拋光無表面缺陷，新國際要求球的直徑為1.5875mm時(shí)誤差不大于0.0035mm，球直徑3.175mm時(shí)誤差不大于0.004mm。

3.檢查設(shè)備穩(wěn)固狀態(tài)。可以用精度為0.2mm的水平儀校試硬度計(jì)是否水平安裝。試驗(yàn)中，非平面試樣應(yīng)放置在剛性支承物上，防止試樣在試驗(yàn)中位移。

(二)試驗(yàn)前做好對(duì)試樣的處理

1.試驗(yàn)前檢查試樣的粗糙度Ra不能大于0.8μm。達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)磨光或拋光表面。

2.選擇試樣的厚度應(yīng)是洛氏試驗(yàn)殘余壓痕的10倍以上。試驗(yàn)后，試樣背面不能有肉眼可見的變形痕跡。

3.試驗(yàn)前應(yīng)去除試樣表面脫碳、氧化、油污等影響測(cè)試結(jié)果的因素。

(三)嚴(yán)格按照操作規(guī)范進(jìn)行試驗(yàn)

1.試驗(yàn)中應(yīng)掌握標(biāo)尺的選擇。從洛氏試驗(yàn)國家標(biāo)準(zhǔn)91、94版到2004版，每個(gè)版本對(duì)標(biāo)尺范圍都進(jìn)行了擴(kuò)大調(diào)整。所以，在試驗(yàn)中應(yīng)按試樣硬度和厚薄根據(jù)新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定選擇合適的標(biāo)尺。我們?cè)跍y(cè)試未知硬度的試樣時(shí)，初始測(cè)試標(biāo)尺可以選擇A標(biāo)，根據(jù)測(cè)試硬度的高低，確定是否更換壓頭或載荷。當(dāng)?shù)陀?0HRA時(shí)應(yīng)當(dāng)換用B標(biāo)尺;如果厚度允許，介于60-85HRA之間可以選擇C標(biāo)尺。

2.應(yīng)保持足夠的試驗(yàn)力加載時(shí)間。對(duì)于A和C標(biāo)尺高硬度試樣，總試驗(yàn)力保持時(shí)間應(yīng)在2s左右。對(duì)C標(biāo)尺中硬度和B標(biāo)尺高硬度總試驗(yàn)力保持時(shí)間應(yīng)在5s-10s。C標(biāo)尺低硬度和B標(biāo)尺中硬度總試驗(yàn)力保持時(shí)間一般在20s內(nèi)。

三 結(jié)語

總之，我們?cè)谧鼋饘俾迨嫌捕仍囼?yàn)時(shí)，應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)原理、設(shè)備的狀況、測(cè)試技術(shù)規(guī)范每一個(gè)測(cè)試步驟。首先，檢查實(shí)驗(yàn)設(shè)備是否完好，壓頭是否變形磨損;試樣表面的質(zhì)量、表面和背面的平行度以及與載物臺(tái)接觸面的平整度必須符合要求;試樣在載物臺(tái)上不得有明顯晃動(dòng)，與載物臺(tái)貼合緊密，平穩(wěn)放置。其次，選擇合適的標(biāo)尺和試驗(yàn)力加載保持時(shí)間后正確操作洛氏硬度計(jì)進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，在測(cè)試選點(diǎn)的位置、數(shù)量、分布等方面都要滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。

［1］GB/T230.1—2004《金屬洛氏硬度試驗(yàn)》［S］.

［2］羅會(huì)昌.機(jī)械工程材料工藝學(xué)(第3版)［M］.北京:高等教育出版社，1990，10.