摘 要:对比了美标和国标中关于维氏硬度试验压痕对角线的判定规则,国标中规定两条对角 线之差不应超过平均值的5%,美标中规定如果一条对角线长度的一半大于另一条对角线长度一 半的5%,则试样表面可能没有与压头轴线垂直,而 NADCAP的审核指导建议则规定一条对角线 长度的一半不应超过该条对角线另一半长度的5%。在试验结果的验证过程中,分别对比了上述3 种方式对压痕对角线判定的差别,以为维氏硬度测试人员对压痕对角线的判定工作提供参考。
关键词:维氏硬度;压痕对角线;国标;美标
中图分类号:TG115.5 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2023)06-0044-03
维氏硬度测试是静态硬度测试中较为精确的一种 方法[1]。在测试过程中发现,ASTME92—2017《金属 材料 维氏硬度和努氏硬度的标准试验方法》第7.10.3 章中关于压痕对角线判定的理解为:一条对角线长度 的一半不应大于另一条对角线长度一半的5% [2],而 NADCAP(美国航空航天和国防工业对航空航天工业 的特殊产品和工艺的认证)审核建议规定,任一对角线 的一半不应比该对角线的另一半长5%以上。同时国 标GB/T4340.1—2009《金属材料 维氏硬度试验 第1 部分:试验方法》第7.6章中规定,在平面上压痕的两条 对角线长度之差不应超过对角线长度平均值的5%。 由此可见,测试方法要求不同会影响对同一压痕的判 断。笔者通过改变试样的倾斜角度产生了不规则的压 痕,对比分析了上述3种判定方法的计算结果,优化了 压痕不规则材料的硬度测试结果。
1 试验方法和仪器
1.1 试验方法
试样编号为Z711471,标准示值为457HV,均 匀度为2.8%。用标准试样来进行对比试验。
试验载荷:0.2kgf(1kgf=9.80665N)。采用 角度作为变量,同时测量对角线的长度,尽量选取能 够清晰分辨压痕,且改变角度时不伤害设备的载荷。
测试角度:0°与1°。标准片相对载物台的角度为0°和1°。将0°测得结果与计算结果作为标准,将 其他角度的测量值和计算结果所得曲线与标准曲线 进行对比。为便于比较,在试样上端垫高以改变角 度,并且保证只改变竖直方向的角度。
标准片硬度的选取:中值硬度。由于要调整试 样的表面,使其与试验台水平面成一定角度,而高值 硬度试样材料不均匀或表面倾斜容易损坏压头,故 不使用高值硬度标准片进行试验。
每组试验次数为36次,用测得对角线长度进行 计算对比。
试验方法设计如图1所示。图中α为压头对角 线角度;β为试样测试表面与载物台角度;F 为载荷。
1.2 试验仪器
用KB30SRFA型全自动维氏硬度测试仪测试试 样的维氏硬度;用角度调节器调节试样的倾斜角度。
2 设定变量与建立数学模型
2.1 变量的设定
国标中对角线判定规则的变量设定:将对角线 的水平方向长度以及竖直方向长度分别设定为d1 和d2(见图2)。
NADCAP审核指导建议中变量的设定:将竖直 方向对角线的上半条和下半条长度分别设定为l1 与d1-l1;将水平方向对角线的上半条和下半条长 度分别设定为l2 与d2-l2(见图3)。
美标译文中变量的设定:将对角线水平方向长 度的一半与对角线竖直方向长度的一半分别设定为 d1 2 和 d2 2 (见图4)。
2.2 建立数学模型
GB/T4340.1—2009中对角线判定方法如式(1)所示。
式中:dm 为两条对角线长度的平均值。
NADCAP审核建议 ASTME92—2017中对角 线判定方法如式(2),(3)所示。
美标 ASTM E92—2017译文中对角线判定方 法如式(4)所示。
3 试验结果
3.1 标准片测值分析
正态分布曲线绘制:若随机变量x 服从一个数 学期望为μ、方差为σ2 的正态分布,记为N(μ,σ2); 则这个随机变量就称为正态随机变量,记作x~N (μ,σ2)。假定测试得到的硬度遵循正态分布曲 线[3],其概率密度函数如式(5)所示。
测试值应在标准值的±3%误差区间内,故置信 区间应为[443.29,470.71]。
由式(5)初步计算,两组试验的测试值符合正态 分布曲线的趋势,由于计算结果过小,所画曲线不易 观察,最终将结果放大103 倍再绘制曲线。两组试 验测试值概率密度曲线如图5所示。
正态分布曲线的分析:试样与载物台呈0°时, 曲线的走势明显呈正态分布,而试样与载物台角度 为1°时,曲线走势已经不是经典的正态分布,同时 其概率密度也与标准值相差很大,方差和标准差都比试样与载物台呈0°时更大。可知在改变试样与 载物台的相对角度时,测量结果有较大的偏差。
3.2 对角线判定公式计算分析
试样与载物台呈0°时,3种方式对角线判定计 算值的散点图如图6所示。测量值超出误差范围的 点有4个。虽然试样与载物台角度为0°,但是试验 用标准片有2.8%的不均匀度,不在误差范围内的 点很可能处在特殊位置。
由图6可知:按照 NADCAP审核建议,对于超 误差的4个测量点,美标对角线方法判断为数据偏 离点,而同等条件下的国标与美标译文要求则判定 为正�！�
试样与载物台呈1°的对角线判定计算值的散 点图如图7所示。测量值超出误差范围的点有7 个,明显多于试样与载物台呈0°的点数,说明试样 测试值的准确与否与其表面是否平行于载物台有很 大关系。
试样与载物台呈1°时,按国标判定,仅2点不满 足要 求,美 标 译 文 挑 出 3 点 不 符 合 要 求,而 NADCAP审核建议中美标的对角线判定规则将对 角线竖直方向均判定为不满足误差要求,可以得出 压头在竖直方向与试样表面不平行的结论。
对角线水平方向上的判定有14点满足要求,1点不满足要求,证明了试验满足只改变竖直方向角 度的设定。
从36点的测量结果可以看到,按照国标方法与 美标译文计算测量对角线的长度,绝大部分点的计 算值均有效,但是 NADCAP审核建议中的美标对 角线判 定 方 式 可 以 将 问 题 点 挑 出。综 上 可 知, NADCAP审核建议的美标对角线判定规则更为严 谨[4]。
4 结论
(1)试样上、下表面的平行度较好时,3种方式 测试结果差异较小。
(2)满足GB/T4340.1—2009与ASTME92— 2017的要求时,对于一些对角线长度差异不大,但 是压痕不规则的测试点,NADCAP审核建议的美标 判定更为严谨。
(3)由于试样上、下表面不平行的角度过大,测 量值会变化很大而失去参考价值,同时可能造成拖 尾现象[5]。在日常加工中,要求试样上、下表面角度 小于1°。
参考文献:
[1] 蔡丽清.维氏硬度试验及其主要影响因素分析[J].物 理测试,2008,26(5):21-23.
[2] 张庶鑫,李亮,吉楠,等.布氏硬度试验标准GB/T231 与 ASTME10的差异分析及其在石油装备行业中的 应用[J].理化检验(物理分册),2015,51(10):717- 720.
[3] 刘松.中、美维氏硬度块均匀度的对比评估[J].理化 检验(物理分册),2009,45(10):599-601.
[4] 李自武,沈运杰,叶郁枫.硬度试验 ASTM 标准与国 内标准的对比分析及应用[J].理化检验(物理分册), 2017,53(6):391-395.
[5] 张高兰,杨爱民,马星,等.维氏硬度检验中拖尾现象 分析和偏差估算[J].理化检验(物理分册),2014,50 (10):738-740,747.