摘 要:對比了美標和國標中關于維氏硬度試驗壓痕對角線的判定規則,國標中規定兩條對角 線之差不應超過平均值的5%,美標中規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的審核指導建議則規定一條對角線 長度的一半不應超過該條對角線另一半長度的5%。在試驗結果的驗證過程中,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。
關鍵詞:維氏硬度;壓痕對角線;國標;美標
中圖分類號:TG115.5 文獻標志碼:A 文章編號:1001-4012(2023)06-0044-03
維氏硬度測試是靜態硬度測試中較為精確的一種 方法[1]。在測試過程中發現,ASTME92—2017《金屬 材料 維氏硬度和努氏硬度的標準試驗方法》第7.10.3 章中關于壓痕對角線判定的理解為:一條對角線長度 的一半不應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對航空航天工業 的特殊產品和工藝的認證)審核建議規定,任一對角線 的一半不應比該對角線的另一半長5%以上。同時國 標GB/T4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗 第1 部分:試驗方法》第7.6章中規定,在平面上壓痕的兩條 對角線長度之差不應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影響對同一壓痕的判 斷。筆者通過改變試樣的傾斜角度產生了不規則的壓 痕,對比分析了上述3種判定方法的計算結果,優化了 壓痕不規則材料的硬度測試結果。
1 試驗方法和儀器
1.1 試驗方法
試樣編號為Z711471,標準示值為457HV,均 勻度為2.8%。用標準試樣來進行對比試驗。
試驗載荷:0.2kgf(1kgf=9.80665N)。采用 角度作為變量,同時測量對角線的長度,盡量選取能 夠清晰分辨壓痕,且改變角度時不傷害設備的載荷。
測試角度:0°與1°。標準片相對載物臺的角度為0°和1°。將0°測得結果與計算結果作為標準,將 其他角度的測量值和計算結果所得曲線與標準曲線 進行對比。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。
標準片硬度的選取:中值硬度。由于要調整試 樣的表面,使其與試驗臺水平面成一定角度,而高值 硬度試樣材料不均勻或表面傾斜容易損壞壓頭,故 不使用高值硬度標準片進行試驗。
每組試驗次數為36次,用測得對角線長度進行 計算對比。
試驗方法設計如圖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角度;F 為載荷。
1.2 試驗儀器
用KB30SRFA型全自動維氏硬度測試儀測試試 樣的維氏硬度;用角度調節器調節試樣的傾斜角度。
2 設定變量與建立數學模型
2.1 變量的設定
國標中對角線判定規則的變量設定:將對角線 的水平方向長度以及豎直方向長度分別設定為d1 和d2(見圖2)。
NADCAP審核指導建議中變量的設定:將豎直 方向對角線的上半條和下半條長度分別設定為l1 與d1-l1;將水平方向對角線的上半條和下半條長 度分別設定為l2 與d2-l2(見圖3)。
美標譯文中變量的設定: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定為 d1 2 和 d2 2 (見圖4)。
2.2 建立數學模型
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 ASTM E92—2017譯文中對角線判定方 法如式(4)所示。
3 試驗結果
3.1 標準片測值分析
正態分布曲線繪制:若隨機變量x 服從一個數 學期望為μ、方差為σ2 的正態分布,記為N(μ,σ2); 則這個隨機變量就稱為正態隨機變量,記作x~N (μ,σ2)。假定測試得到的硬度遵循正態分布曲 線[3],其概率密度函數如式(5)所示。
測試值應在標準值的±3%誤差區間內,故置信 區間應為[443.29,470.71]。
由式(5)初步計算,兩組試驗的測試值符合正態 分布曲線的趨勢,由于計算結果過小,所畫曲線不易 觀察,最終將結果放大103 倍再繪制曲線。兩組試 驗測試值概率密度曲線如圖5所示。
正態分布曲線的分析:試樣與載物臺呈0°時, 曲線的走勢明顯呈正態分布,而試樣與載物臺角度 為1°時,曲線走勢已經不是經典的正態分布,同時 其概率密度也與標準值相差很大,方差和標準差都比試樣與載物臺呈0°時更大?？芍诟淖冊嚇优c 載物臺的相對角度時,測量結果有較大的偏差。
3.2 對角線判定公式計算分析
試樣與載物臺呈0°時,3種方式對角線判定計 算值的散點圖如圖6所示。測量值超出誤差范圍的 點有4個。雖然試樣與載物臺角度為0°,但是試驗 用標準片有2.8%的不均勻度,不在誤差范圍內的 點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個測量點,美標對角線方法判斷為數據偏 離點,而同等條件下的國標與美標譯文要求則判定 為正常。
試樣與載物臺呈1°的對角線判定計算值的散 點圖如圖7所示。測量值超出誤差范圍的點有7 個,明顯多于試樣與載物臺呈0°的點數,說明試樣 測試值的準確與否與其表面是否平行于載物臺有很 大關系。
試樣與載物臺呈1°時,按國標判定,僅2點不滿 足要 求,美 標 譯 文 挑 出 3 點 不 符 合 要 求,而 NADCAP審核建議中美標的對角線判定規則將對 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論。
對角線水平方向上的判定有14點滿足要求,1點不滿足要求,證明了試驗滿足只改變豎直方向角 度的設定。
從36點的測量結果可以看到,按照國標方法與 美標譯文計算測量對角線的長度,絕大部分點的計 算值均有效,但是 NADCAP審核建議中的美標對 角線判 定 方 式 可 以 將 問 題 點 挑 出。綜 上 可 知, NADCAP審核建議的美標對角線判定規則更為嚴 謹[4]。
4 結論
(1)試樣上、下表面的平行度較好時,3種方式 測試結果差異較小。
(2)滿足GB/T4340.1—2009與ASTME92— 2017的要求時,對于一些對角線長度差異不大,但 是壓痕不規則的測試點,NADCAP審核建議的美標 判定更為嚴謹。
(3)由于試樣上、下表面不平行的角度過大,測 量值會變化很大而失去參考價值,同時可能造成拖 尾現象[5]。在日常加工中,要求試樣上、下表面角度 小于1°。
參考文獻:
[1] 蔡麗清.維氏硬度試驗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.布氏硬度試驗標準GB/T231 與 ASTME10的差異分析及其在石油裝備行業中的 應用[J].理化檢驗(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估[J].理化 檢驗(物理分冊),2009,45(10):599-601.
[4] 李自武,沈運杰,葉郁楓.硬度試驗 ASTM 標準與國 內標準的對比分析及應用[J].理化檢驗(物理分冊), 2017,53(6):391-395.
[5] 張高蘭,楊愛民,馬星,等.維氏硬度檢驗中拖尾現象 分析和偏差估算[J].理化檢驗(物理分冊),2014,50 (10):738-740,747.