正常人眼分辨能力下測(cè)量標(biāo)線寬度對(duì)材料維氏硬度檢測(cè)值的影響及分析

邵 勇

（四川中核艾瑞特工程檢測(cè)有限公司，四川 綿陽 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。

1 測(cè)量原理

維氏硬度計(jì)工作原理是：將頂部兩相對(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)角線長度代入式1，或者查找硬度表即可得到材料硬度值。

2 測(cè)量過程分析

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)角線的長度。

圖2 壓痕對(duì)角線長度測(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。

3 測(cè)量偏差分析

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)角線理論長度(mm)

將偏差帶入已知的對(duì)角線長度數(shù)據(jù)得到偏差影響后的對(duì)角線長度測(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。

4 結(jié)語

對(duì)角線長度測(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)越大偏差越小；

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

度偏差造成的硬度值偏差大于正長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。

5 不足和改進(jìn)

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。