摘 要:對比了美標(biāo)和國標(biāo)中關(guān)于維氏硬度試驗(yàn)壓痕對角線的判定規(guī)則,國標(biāo)中規(guī)定兩條對角 線之差不應(yīng)超過平均值的5%,美標(biāo)中規(guī)定如果一條對角線長度的一半大于另一條對角線長度一 半的5%,則試樣表面可能沒有與壓頭軸線垂直,而 NADCAP的審核指導(dǎo)建議則規(guī)定一條對角線 長度的一半不應(yīng)超過該條對角線另一半長度的5%。在試驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證過程中,分別對比了上述3 種方式對壓痕對角線判定的差別,以為維氏硬度測試人員對壓痕對角線的判定工作提供參考。 

關(guān)鍵詞:維氏硬度;壓痕對角線;國標(biāo);美標(biāo) 

中圖分類號(hào):TG115.5                          文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A                          文章編號(hào):1001-4012(2023)06-0044-03 

維氏硬度測試是靜態(tài)硬度測試中較為精確的一種 方法[1]。在測試過程中發(fā)現(xiàn),ASTME92—2017《金屬 材料 維氏硬度和努氏硬度的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》第7.10.3 章中關(guān)于壓痕對角線判定的理解為:一條對角線長度 的一半不應(yīng)大于另一條對角線長度一半的5% [2],而 NADCAP(美國航空航天和國防工業(yè)對航空航天工業(yè) 的特殊產(chǎn)品和工藝的認(rèn)證)審核建議規(guī)定,任一對角線 的一半不應(yīng)比該對角線的另一半長5%以上。同時(shí)國 標(biāo)GB/T4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1 部分:試驗(yàn)方法》第7.6章中規(guī)定,在平面上壓痕的兩條 對角線長度之差不應(yīng)超過對角線長度平均值的5%。 由此可見,測試方法要求不同會(huì)影響對同一壓痕的判 斷。筆者通過改變試樣的傾斜角度產(chǎn)生了不規(guī)則的壓 痕,對比分析了上述3種判定方法的計(jì)算結(jié)果,優(yōu)化了 壓痕不規(guī)則材料的硬度測試結(jié)果。

1 試驗(yàn)方法和儀器 

1.1 試驗(yàn)方法 

試樣編號(hào)為Z711471,標(biāo)準(zhǔn)示值為457HV,均 勻度為2.8%。用標(biāo)準(zhǔn)試樣來進(jìn)行對比試驗(yàn)。

試驗(yàn)載荷:0.2kgf(1kgf=9.80665N)。采用 角度作為變量,同時(shí)測量對角線的長度,盡量選取能 夠清晰分辨壓痕,且改變角度時(shí)不傷害設(shè)備的載荷。 

測試角度:0°與1°。標(biāo)準(zhǔn)片相對載物臺(tái)的角度為0°和1°。將0°測得結(jié)果與計(jì)算結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn),將 其他角度的測量值和計(jì)算結(jié)果所得曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線 進(jìn)行對比。為便于比較,在試樣上端墊高以改變角 度,并且保證只改變豎直方向的角度。 

標(biāo)準(zhǔn)片硬度的選取:中值硬度。由于要調(diào)整試 樣的表面,使其與試驗(yàn)臺(tái)水平面成一定角度,而高值 硬度試樣材料不均勻或表面傾斜容易損壞壓頭,故 不使用高值硬度標(biāo)準(zhǔn)片進(jìn)行試驗(yàn)。 

每組試驗(yàn)次數(shù)為36次,用測得對角線長度進(jìn)行 計(jì)算對比。 

試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)如圖1所示。圖中α為壓頭對角 線角度;β為試樣測試表面與載物臺(tái)角度;F 為載荷。

1.2 試驗(yàn)儀器 

用KB30SRFA型全自動(dòng)維氏硬度測試儀測試試 樣的維氏硬度;用角度調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)試樣的傾斜角度。 

2 設(shè)定變量與建立數(shù)學(xué)模型 

2.1 變量的設(shè)定 

國標(biāo)中對角線判定規(guī)則的變量設(shè)定:將對角線 的水平方向長度以及豎直方向長度分別設(shè)定為d1 和d2(見圖2)。

NADCAP審核指導(dǎo)建議中變量的設(shè)定:將豎直 方向?qū)蔷€的上半條和下半條長度分別設(shè)定為l1 與d1-l1;將水平方向?qū)蔷€的上半條和下半條長 度分別設(shè)定為l2 與d2-l2(見圖3)。 

美標(biāo)譯文中變量的設(shè)定:將對角線水平方向長 度的一半與對角線豎直方向長度的一半分別設(shè)定為 d1 2 和 d2 2 (見圖4)。

2.2 建立數(shù)學(xué)模型 

GB/T4340.1—2009中對角線判定方法如式(1)所示。

式中:dm 為兩條對角線長度的平均值。 

NADCAP審核建議 ASTME92—2017中對角 線判定方法如式(2),(3)所示。

美標(biāo) ASTM E92—2017譯文中對角線判定方 法如式(4)所示。 

3 試驗(yàn)結(jié)果 

3.1 標(biāo)準(zhǔn)片測值分析 

正態(tài)分布曲線繪制:若隨機(jī)變量x 服從一個(gè)數(shù) 學(xué)期望為μ、方差為σ2 的正態(tài)分布,記為N(μ,σ2); 則這個(gè)隨機(jī)變量就稱為正態(tài)隨機(jī)變量,記作x~N (μ,σ2)。假定測試得到的硬度遵循正態(tài)分布曲 線[3],其概率密度函數(shù)如式(5)所示。 

測試值應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)值的±3%誤差區(qū)間內(nèi),故置信 區(qū)間應(yīng)為[443.29,470.71]。 

由式(5)初步計(jì)算,兩組試驗(yàn)的測試值符合正態(tài) 分布曲線的趨勢,由于計(jì)算結(jié)果過小,所畫曲線不易 觀察,最終將結(jié)果放大103 倍再繪制曲線。兩組試 驗(yàn)測試值概率密度曲線如圖5所示。

正態(tài)分布曲線的分析:試樣與載物臺(tái)呈0°時(shí), 曲線的走勢明顯呈正態(tài)分布,而試樣與載物臺(tái)角度 為1°時(shí),曲線走勢已經(jīng)不是經(jīng)典的正態(tài)分布,同時(shí) 其概率密度也與標(biāo)準(zhǔn)值相差很大,方差和標(biāo)準(zhǔn)差都比試樣與載物臺(tái)呈0°時(shí)更大。可知在改變試樣與 載物臺(tái)的相對角度時(shí),測量結(jié)果有較大的偏差。

3.2 對角線判定公式計(jì)算分析

試樣與載物臺(tái)呈0°時(shí),3種方式對角線判定計(jì) 算值的散點(diǎn)圖如圖6所示。測量值超出誤差范圍的 點(diǎn)有4個(gè)。雖然試樣與載物臺(tái)角度為0°,但是試驗(yàn) 用標(biāo)準(zhǔn)片有2.8%的不均勻度,不在誤差范圍內(nèi)的 點(diǎn)很可能處在特殊位置。

由圖6可知:按照 NADCAP審核建議,對于超 誤差的4個(gè)測量點(diǎn),美標(biāo)對角線方法判斷為數(shù)據(jù)偏 離點(diǎn),而同等條件下的國標(biāo)與美標(biāo)譯文要求則判定 為正常。

試樣與載物臺(tái)呈1°的對角線判定計(jì)算值的散 點(diǎn)圖如圖7所示。測量值超出誤差范圍的點(diǎn)有7 個(gè),明顯多于試樣與載物臺(tái)呈0°的點(diǎn)數(shù),說明試樣 測試值的準(zhǔn)確與否與其表面是否平行于載物臺(tái)有很 大關(guān)系。

試樣與載物臺(tái)呈1°時(shí),按國標(biāo)判定,僅2點(diǎn)不滿 足要 求,美 標(biāo) 譯 文 挑 出 3 點(diǎn) 不 符 合 要 求,而 NADCAP審核建議中美標(biāo)的對角線判定規(guī)則將對 角線豎直方向均判定為不滿足誤差要求,可以得出 壓頭在豎直方向與試樣表面不平行的結(jié)論。

對角線水平方向上的判定有14點(diǎn)滿足要求,1點(diǎn)不滿足要求,證明了試驗(yàn)滿足只改變豎直方向角 度的設(shè)定。 

從36點(diǎn)的測量結(jié)果可以看到,按照國標(biāo)方法與 美標(biāo)譯文計(jì)算測量對角線的長度,絕大部分點(diǎn)的計(jì) 算值均有效,但是 NADCAP審核建議中的美標(biāo)對 角線判 定 方 式 可 以 將 問 題 點(diǎn) 挑 出。綜 上 可 知, NADCAP審核建議的美標(biāo)對角線判定規(guī)則更為嚴(yán) 謹(jǐn)[4]。 

4 結(jié)論 

(1)試樣上、下表面的平行度較好時(shí),3種方式 測試結(jié)果差異較小。 

(2)滿足GB/T4340.1—2009與ASTME92— 2017的要求時(shí),對于一些對角線長度差異不大,但 是壓痕不規(guī)則的測試點(diǎn),NADCAP審核建議的美標(biāo) 判定更為嚴(yán)謹(jǐn)。 

(3)由于試樣上、下表面不平行的角度過大,測 量值會(huì)變化很大而失去參考價(jià)值,同時(shí)可能造成拖 尾現(xiàn)象[5]。在日常加工中,要求試樣上、下表面角度 小于1°。

參考文獻(xiàn): 

[1] 蔡麗清.維氏硬度試驗(yàn)及其主要影響因素分析[J].物 理測試,2008,26(5):21-23. 

[2] 張庶鑫,李亮,吉楠,等.布氏硬度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)GB/T231 與 ASTME10的差異分析及其在石油裝備行業(yè)中的 應(yīng)用[J].理化檢驗(yàn)(物理分冊),2015,51(10):717- 720. 

[3] 劉松.中、美維氏硬度塊均勻度的對比評(píng)估[J].理化 檢驗(yàn)(物理分冊),2009,45(10):599-601. 

[4] 李自武,沈運(yùn)杰,葉郁楓.硬度試驗(yàn) ASTM 標(biāo)準(zhǔn)與國 內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的對比分析及應(yīng)用[J].理化檢驗(yàn)(物理分冊), 2017,53(6):391-395. 

[5] 張高蘭,楊愛民,馬星,等.維氏硬度檢驗(yàn)中拖尾現(xiàn)象 分析和偏差估算[J].理化檢驗(yàn)(物理分冊),2014,50 (10):738-740,747.

<文章來源 >  材料與測試網(wǎng)  >  期刊論文 > 理化檢驗(yàn)－物理分冊 > 59卷 > 6期 (pp:44-46)>