樊 萌 張重遠(yuǎn)

(中國科學(xué)院金屬研究所，沈陽 110016)

0 引言

標(biāo)準(zhǔn)人工缺陷用于探傷設(shè)備的調(diào)試、綜合性能測(cè)試和使用過程中的定時(shí)校驗(yàn)，它是評(píng)定自然缺陷當(dāng)量的依據(jù)[1]。人工缺陷尺寸的準(zhǔn)確程度對(duì)缺陷當(dāng)量的評(píng)價(jià)尤為重要。根據(jù)GB/T 5777—2008要求，人工缺陷深度可用光學(xué)方法、復(fù)型方法或其他方法測(cè)量。

直接測(cè)量法的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)更加真實(shí)，但由于需要切取人工缺陷的剖面進(jìn)行測(cè)量，具有破壞性，不能保留樣品原樣，所以一般不采取直接測(cè)量方法；復(fù)型法[2]是用一種可塑性材料充滿在人工缺陷內(nèi)，經(jīng)過凝固成型后取出，真實(shí)再現(xiàn)人工缺陷的整體形貌，取其剖面在顯微鏡下對(duì)人工缺陷寬度、深度進(jìn)行測(cè)量的方法。復(fù)型測(cè)量[3]與直接測(cè)量之間必定存在偏差，找到二者偏差的規(guī)律十分重要[4]。本文通過一系列實(shí)驗(yàn)并通過分析確定出了復(fù)型測(cè)量與直接測(cè)量的偏差值。

1 試樣制備與實(shí)驗(yàn)方法

取一段長(zhǎng)度為800～900mm、規(guī)格為φ12×1.2mm的1Cr18Ni10Ti管材作為試樣進(jìn)行加工，采用電火花加工機(jī)分別制作目標(biāo)深度為0.05mm的U型人工缺陷4個(gè)，目標(biāo)深度為0.07mm的U型人工缺陷4個(gè)，目標(biāo)深度為0.10mm的U型人工缺陷4個(gè)，目標(biāo)深度為0.12mm的U型人工缺陷2個(gè)，共獲得了14個(gè)人工缺陷[5]。對(duì)每個(gè)人工缺陷的三個(gè)位置(中間位置及距兩端1mm的位置)進(jìn)行測(cè)量，可得到42個(gè)測(cè)量剖面，對(duì)這42個(gè)剖面分別進(jìn)行復(fù)型測(cè)量及直接測(cè)量，獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。測(cè)量使用的是蔡司Axiovert 200 MAT 金相顯微鏡。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)比復(fù)型測(cè)量結(jié)果與直接測(cè)量結(jié)果，得到二者的偏差。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)的目標(biāo)值不同，分別為0.05mm，0.07mm，0.10mm，0.12mm ，所以為了表達(dá)方便統(tǒng)一，采用相對(duì)偏差來表示二者的偏差。(相對(duì)偏差=偏差/目標(biāo)值×100%)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1～表4。

表1 目標(biāo)值為0.05mm分析結(jié)果

表2 目標(biāo)值為0.07mm分析結(jié)果

表3 目標(biāo)值為0.10mm的分析結(jié)果

表4 目標(biāo)值為0.12mm的分析結(jié)果

從表1～表4中可以看出，復(fù)型測(cè)量與直接測(cè)量的相對(duì)偏差處于-10%～4%區(qū)間，對(duì)42個(gè)相對(duì)偏差計(jì)算平均值，其結(jié)果為-4%。因此當(dāng)對(duì)復(fù)型測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正時(shí)，取修正值為4%，其結(jié)果將更準(zhǔn)確，更接近于直接測(cè)量值。

3 分析討論

3.1 影響測(cè)量結(jié)果的因素

復(fù)型測(cè)量較直接測(cè)量多了“復(fù)型—測(cè)量截面制作”這一過程。而復(fù)型采用的是Struers三維復(fù)型系統(tǒng)RepliSet，該復(fù)型系統(tǒng)分辨力高，精度可達(dá)0.1μm，且基本無收縮，因而復(fù)型對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響可忽略。在這種的情況下，測(cè)量截面制作則成為造成測(cè)量偏差的主要原因。測(cè)量截面的制作關(guān)健點(diǎn)有兩個(gè)：一是測(cè)量截面的截取位置;二是測(cè)量截面的截取角度。

3.1.1 測(cè)量截面的截取位置的影響

按GB/T 5777—2008要求采用電蝕加工的方法進(jìn)行人工缺陷制作。電蝕加工基于電火花腐蝕原理，是在工具電極與工件電極相互靠近時(shí)，極間形成脈沖性火花放電，在電火花通道中產(chǎn)生瞬時(shí)高溫，使金屬局部熔化，甚至氣化，從而將金屬蝕除下來。在電火花加工過程中，不僅工件會(huì)被電蝕，電極也會(huì)被電蝕，且越靠近電極的端部損耗也越大。因而人工缺陷的兩端深度是不均勻的。圖1是利用型號(hào)為OLS400的OLYMPUS全自動(dòng)激光共聚焦掃描顯微鏡[6]得到的人工缺陷端部圖片，由圖1可以看出，如果測(cè)量截面取在人工缺陷端部，則測(cè)量結(jié)果不能代表人工缺陷的真實(shí)深度。

圖1 人工缺陷端面

3.1.2 測(cè)量截面截取角度的影響

如果測(cè)量截面不在同一平面內(nèi)，則不利于聚焦，會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。

目前測(cè)量截面樣品是用刀片切割后獲得，如切后的剖面垂直性好，則其測(cè)量結(jié)果會(huì)如圖2(a)，圖像邊緣清晰，測(cè)量準(zhǔn)確；如切后的剖面垂直性不好，則會(huì)出現(xiàn)圖2(b)、(c)的現(xiàn)象，有虛、有實(shí)，在這種情況下測(cè)量，則會(huì)引入很大的不確定因素。

圖2 測(cè)量截面圖

3.2 測(cè)量技術(shù)方面的優(yōu)勢(shì)

人工缺陷復(fù)形測(cè)量更為可靠的方法是采用激光共聚焦顯微鏡測(cè)量復(fù)型尺寸，圖3是利用激光共聚焦顯微鏡拍取的人工缺陷復(fù)型樣品局部圖。激光共聚焦顯微鏡原理是采用激光束逐點(diǎn)掃描聚焦成像，與普通顯微鏡相比，在測(cè)量復(fù)型尺寸方面的優(yōu)勢(shì)是：

1)不用切片，實(shí)現(xiàn)3D觀察；

2)可任取截面測(cè)量；

3)可直觀去除不合理測(cè)量截面，數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確；

4)數(shù)字化保存和傳播。

圖3 人工缺陷復(fù)型樣品局部

4 結(jié)束語

在用復(fù)型法檢定管材標(biāo)準(zhǔn)人工缺陷時(shí)，測(cè)量截面位置和角度會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。采用激光共聚焦顯微鏡測(cè)量人工缺陷復(fù)型具有直觀和不用切片等優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)復(fù)型測(cè)量結(jié)果進(jìn)行偏差分析和修正后，結(jié)果將更準(zhǔn)確，既符合GB/T 5777—2008的公差要求，又更接近于直接測(cè)量值。

[1] GB/T 5777—2008無縫鋼管超聲波探傷檢驗(yàn)方法

[2] YB/T 145—1998鋼管探傷對(duì)比試樣人工缺陷尺寸測(cè)量方法

[3] 楊建芳,任曉云.鋼管探傷對(duì)比試樣人工缺陷尺寸的測(cè)量方法可行性分析.現(xiàn)代測(cè)量與實(shí)驗(yàn)室管理， 2008,16(4)

[4] 山岳.測(cè)量的學(xué)問(二十一) .計(jì)量技術(shù)，1988(10)

[5] 江蘇省電加工室譯.電火花精密微小加工——標(biāo)準(zhǔn)人工缺陷的電火花加工.電加工與模具，1973(02)

[6] 孫大樂,等.激光共聚焦顯微鏡在磨損表面粗糙度表征中的應(yīng)用.中國激光， 2008,35(9)