維氏硬度試驗力的誤差檢定及校準分析

曹敬韞

以維氏硬度試驗原理為基礎，確定維氏硬度試驗時，務必保證硬度值的準確性，對相關參數進行優化，分析產生試驗力誤差的原因，并在此基礎上深入研究各類因素對維氏硬度檢測數值的影響，最終在掌握各影響因素的前提下，采取措施進行優化處理，將測量誤差控制到最小。

一、維氏硬度試驗原理

維氏硬度試驗所應用的金剛石正四棱錐體，其壓頭兩相對面夾角保持136°，確定壓頭試驗力為F，以此作用來壓入試件表面，保持一定時間后，將試驗力卸除。可在試件表面得到一個正四棱錐形的壓痕，對此壓痕的對角線長度進行測量得到d，然后根據平均值來計算并得出壓痕表面積。［1］維氏硬度值即試驗力F除以壓痕表面積的數值，以HV表示。其計算公式為：

其中，α表示金剛石壓頭頂部量相對面夾角136°，F表示試驗力，d表示兩壓痕對角線長度d1與d2的算數平均值。

二、維氏硬度試驗力誤差分析

（一）試驗力誤差分析

在維氏硬度試驗中，可將專用支承件放置在三等標準測力計軸線位置，利用待檢硬度計對測力儀負荷預壓三次，完成零點調整，此時支承件重力不會對測力準確性產生影響，并且，還可以避免卸裝支撐件壓頭，不僅可提升測力準確性，同時還能縮短試驗時間。其中，試驗力、硬度值以及主軸上下端間隙等均會對硬度計符合杠桿實際下沉位置產生影響，但實際操作中無法有效標記測量下沉位置，一般只對最大下沉位置進行測量。受到試驗力影響，測力儀彈性體會產生較大變形，不得在試驗期間將試臺升高，同時在上升試驗時還要施加一定試驗力，保證試驗力全部作用在測力儀上。對整個維氏硬度試驗過程進行分析，可以確定主軸、杠桿系統、工作周以及砝碼重力經過杠桿比放大形成的力均可看作試驗力，另外還有試驗過程中的摩擦力。由此可以確定，杠桿比、工作軸重力、杠桿主軸、砝碼以及摩擦力等全部為導致維氏硬度試驗出現誤差的原因。

（二）誤差檢定

試驗時應用最小級力值硬度計，將測力儀放置在試臺中心軸線位置，放置支承件后轉動手輪。試臺上升時確定支承件缺口與金剛石壓頭體對應，繼續增加負荷，在標準時間內將杠桿下沉到標記范圍內。然后調整試臺上下高度，將杠桿由原來水平位置降低到標記位置，記錄兩個位置對應的測力儀數值A1和A2，計算確定與杠桿支撐點的比值：A1-A2/A-100%。A為測力儀標準負荷下的數值，計算所得比值越小，則證明杠桿支承點越好，相反，比值越大則表示不同硬度下試驗力變化明顯，誤差差異較大。出現此種情況的關鍵因素為負荷杠桿三個支承點存在磨損，接觸面積加大，當面對不同的下沉位置時，支承位置會發生改變，相應的杠桿比值也會變化。［2］另外，因為三個支承點中鋼球與刀刃壓力較大，磨損情況嚴重，當上述比值超過1%后，必須對鋼球和刀刃進行檢查，并對磨損部位進行修復，確認刀刃寬度維持在0.1mm內。

另外，上下調整試臺位置時，測力儀會得到兩個數值A3與A4。A3為試臺與主軸上升時，摩擦力向下，在與試驗力保持同向狀態時，測力儀所得數值。A4為試臺與主軸下降時，摩擦力向上，在與試驗力保持同向狀態時，測力儀所得數值。可確定：

其中，K表示常量，A表示標準負荷狀態下測力儀所測數值。根據此可確定摩擦力與試驗力關系：Fr/Fs=A3-A4/2A

其中，Fr表示摩擦力，Fs表示試驗力。兩者比值超過1%時，可確定摩擦力較大，相應的試驗力誤差也較大。分析此類問題的影響因素有：主軸、工作軸、保護罩臟污或銹蝕；主軸和工作軸兩者未保持同心狀態；主軸與彈簧張力差異較大，彈簧與掛孔配合誤差較大，導致主軸從運行位置脫離，與導座產生摩擦。

（三）杠桿比校準

以維氏硬度試驗結果為基礎，對最小一級試驗力誤差進行計算：A4-A/A-100%。如果比值超過1%，則需要對試驗力進行校準操作。其中，假如試驗過程中應用了至少兩種試驗力，則還需對杠桿比進行測定與校準。實際操作中如果發現杠桿比異常，需要對固定支架螺絲進行檢查，確認是否存在松動問題，檢查后偏離位置較小，可直接調整刀子位置來將誤差消除，完成杠桿比校準。如果調整到極限仍無法校準，則需要將刀子調整到中間位置，并對偏心螺釘進行調整，最大限度地減小偏心螺釘對主軸上端面以及偏釘球面之間的間隙，將其帶來的影響降到最小。

三、結語

靜態力測定硬度的方法中，維氏硬度試驗方法具有最高的精確度，適用性非常強，可以測量的硬度范圍廣泛。但是想要保證測量結果的準確性，還需要做好誤差鑒定和校準，排除各項因素造成的不良影響。