畢文婕，王坤朋，曹福民，樊建華

（滄州市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所，河北 滄州 061001）

布氏硬度試驗(yàn)是評(píng)價(jià)金屬材料抵抗局部塑性變形能力的一種常用方法，其原理是把規(guī)定直徑的硬質(zhì)合金球以一定試驗(yàn)力F 壓入所測(cè)材料表面，保持規(guī)定時(shí)間后，測(cè)量壓痕直徑d。布氏硬度與試驗(yàn)力除以壓痕表面積S的商成正比。

式中，F(xiàn) 為試驗(yàn)力，單位kgf;S 為壓痕表面積，單位mm2；h 為壓痕深度；D 為壓球直徑，單位mm。

代入式（1），可得：

將試驗(yàn)力單位的千克力換算成牛頓，式（3）變形為：

式（4）為布氏硬度值計(jì)算公式。其中，D 為壓頭直徑，單位mm；d 為壓痕平均直徑，單位mm；F 為試驗(yàn)力，單位N。

實(shí)驗(yàn)室通常使用標(biāo)準(zhǔn)硬度塊對(duì)硬度計(jì)進(jìn)行期間核查和質(zhì)量控制。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量控制時(shí)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)硬度塊測(cè)量值與標(biāo)定值之差超過(guò)GB/T 231.2-2012 中要求示值最大允差，可以判定為結(jié)果不滿意，需要對(duì)硬度試驗(yàn)進(jìn)行誤差分析并采取措施。

我們實(shí)驗(yàn)室在一次使用布氏硬度塊內(nèi)控樣進(jìn)行質(zhì)控時(shí)，硬度標(biāo)定值為292HBW10/3000，標(biāo)準(zhǔn)要求大于225HBW 硬度計(jì)示值最大允差為±2%，實(shí)測(cè)值為285HBW，實(shí)測(cè)值與標(biāo)定值之差超過(guò)了示值最大允差，可以判定此次質(zhì)控結(jié)果不滿意，需要對(duì)試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行期間核查，分析試驗(yàn)誤差來(lái)源。

試驗(yàn)誤差可以分為隨機(jī)誤差、系統(tǒng)誤差和粗大誤差。隨機(jī)誤差無(wú)法消除，只能通過(guò)多次測(cè)量去減小。對(duì)于布氏硬度試驗(yàn)，系統(tǒng)誤差主要包括試驗(yàn)力誤差、壓頭直徑偏差和壓痕直徑測(cè)量誤差。粗大誤差是由于人員失誤引起的數(shù)據(jù)失實(shí)。試驗(yàn)過(guò)程應(yīng)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)操作，避免出現(xiàn)粗大誤差。根據(jù)式（4），可以發(fā)現(xiàn)影響硬度值計(jì)算結(jié)果的分量分別是：壓頭直徑D、壓痕直徑d、試驗(yàn)力F，我們分析試驗(yàn)誤差來(lái)源，也主要關(guān)注這三個(gè)因素。

1 試驗(yàn)力誤差

對(duì)式（3）微分，可得到

可以看出，布氏硬度值相對(duì)誤差等于試驗(yàn)力相對(duì)誤差。GB/T 231.2-2012 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，布氏硬度計(jì)試驗(yàn)力最大允差為±1%。通常使用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀對(duì)試驗(yàn)力進(jìn)行測(cè)量，如果實(shí)測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)值之差超過(guò)最大允差，則需要對(duì)試驗(yàn)力進(jìn)行校正。一般通過(guò)調(diào)節(jié)游碼和杠桿力臂長(zhǎng)度校正試驗(yàn)力。本次試驗(yàn)類型選用HBW 10/3000，試驗(yàn)力標(biāo)準(zhǔn)值為29420N，實(shí)測(cè)值為29550N，試驗(yàn)力誤差為0.44%，符合GB/T 231.2-2012 標(biāo)準(zhǔn)要求，試驗(yàn)力合格，試驗(yàn)力誤差引起的硬度值相對(duì)偏差為0.44%。

2 壓頭直徑誤差

對(duì)式（3）微分，可得到

對(duì)壓球直徑的核查需要從三個(gè)不同方向?qū)呵蜻M(jìn)行測(cè)量，如果測(cè)量誤差大于GB/T 231.2-2012 標(biāo)準(zhǔn)要求，則需要對(duì)壓球進(jìn)行更換。我們對(duì)10mm 壓球直徑進(jìn)行測(cè)量，三個(gè)方向測(cè)量值分別為9.999mm、9.998mm、9.998mm。GB/T 231.2-2012 標(biāo) 準(zhǔn) 要 求 對(duì)于10mm 壓球允差為±0.005mm。因此，試驗(yàn)所用壓球直徑偏差符合標(biāo)準(zhǔn)要求。經(jīng)核查，壓球直徑合格。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)值為290HBW10/3000 的標(biāo)準(zhǔn)硬度塊壓痕直徑為3.5667mm，壓球直徑標(biāo)準(zhǔn)值10mm，壓球直徑偏差0.02%，代入式（3），求得壓球直徑偏差引起的對(duì)硬度值相對(duì)偏差為0.0014%。

3 壓痕直徑測(cè)量裝置誤差

對(duì)式（3）微分，可得到

壓痕直徑測(cè)量裝置原理與讀數(shù)顯微鏡相同，可使用讀數(shù)顯微鏡的核查方法對(duì)準(zhǔn)確度進(jìn)行核查。使用標(biāo)準(zhǔn)刻線尺作為標(biāo)準(zhǔn)器，在0 ～6mm 范圍內(nèi)進(jìn)行核查，測(cè)量其相對(duì)誤差。此次壓痕直徑測(cè)量裝置核查結(jié)果見(jiàn)表1。

根據(jù)表1 數(shù)據(jù)，以L 為橫坐標(biāo)， ?L 為縱坐標(biāo)，將數(shù)據(jù)擬合成一條曲線，見(jiàn)圖1。

圖1

由表1 可知，壓痕直徑裝置絕對(duì)誤差 ?L 隨測(cè)量長(zhǎng)度L 的增加而增大，而相對(duì)誤差 WL隨測(cè)量長(zhǎng)度L 增加而減小。

GB/T 231.2-2012 要求壓痕直徑測(cè)量裝置最大允差為±0.5%，經(jīng)核查在0 ～6mm 范圍內(nèi)各點(diǎn)相對(duì)誤差均符合要求，壓痕直徑測(cè)量裝置合格。壓痕直徑為3.5667mm，由表1 可知其相對(duì)誤差為0.27%，代入式（7），可求得壓痕直徑測(cè)量裝置引入偏差為0.54%。

如果核查結(jié)果超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求，則需對(duì)設(shè)備進(jìn)行維修或者對(duì)數(shù)值進(jìn)行修正。對(duì)測(cè)量數(shù)值可利用標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行修正。以標(biāo)準(zhǔn)值L 為橫坐標(biāo)，絕對(duì)誤差 ? L為縱坐標(biāo)，將各測(cè)量點(diǎn)擬合成一條曲線。當(dāng)對(duì)某長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量讀數(shù)為 L1，通過(guò) L - ?L曲線查得 L1的絕對(duì)誤差值 ? L1，修正后數(shù)值應(yīng)為

4 人員誤差

人員誤差對(duì)壓痕直徑測(cè)量結(jié)果影響最大，會(huì)引入瞄準(zhǔn)和讀數(shù)誤差。同一設(shè)備測(cè)量同一壓痕，不同人員所得結(jié)果都會(huì)不同。同一人員同一設(shè)備多次測(cè)量結(jié)果也會(huì)有差別?？稍谌搜凼孢m前提下，適當(dāng)提高視場(chǎng)亮度來(lái)減小人眼分辨力引起的誤差。人員誤差無(wú)法完全消除，通過(guò)培訓(xùn)和練習(xí)增加經(jīng)驗(yàn)可減小人員誤差。可通過(guò)人員監(jiān)督或人員目光比對(duì)的方式對(duì)試驗(yàn)操作進(jìn)行考核，以提高人員水平減小誤差。

5 其他因素引起的誤差

壓球表面粗糙度過(guò)大，會(huì)在壓入過(guò)程中增大摩擦力，導(dǎo)致壓痕減小硬度升高。標(biāo)準(zhǔn)要求壓球表面粗糙度≤0.2μm，應(yīng)對(duì)壓球定期進(jìn)行核查采取防銹保養(yǎng)措施。硬度試驗(yàn)后壓痕周圍會(huì)形成應(yīng)力區(qū)，應(yīng)力會(huì)引起硬度值變化。壓痕接近試樣邊緣，邊緣部位支承材料減少，會(huì)造成材料抵抗變形能力變差硬度值減小。為了減小壓痕周圍應(yīng)力和壓痕邊緣對(duì)硬度值的影響，要求兩相鄰壓痕中心距離不小于壓痕直徑的3 倍，壓痕中心至邊緣距離不小于壓痕直徑的2.5 倍。實(shí)驗(yàn)室應(yīng)制定作業(yè)指導(dǎo)書(shū)，對(duì)壓痕之間距離和距邊緣距離做出規(guī)定，并嚴(yán)格執(zhí)行。

6 利用標(biāo)準(zhǔn)硬度塊對(duì)硬度計(jì)進(jìn)行核查

通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)硬度塊進(jìn)行硬度試驗(yàn)，計(jì)算示值重復(fù)性和示值誤差，來(lái)評(píng)價(jià)硬度計(jì)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。我們使用新購(gòu)置的290HBW10/3000 標(biāo)準(zhǔn)硬度塊按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)，5 個(gè)壓痕硬度值結(jié)果分別為288HBW、288HBW、289HBW、289HBW、290HBW。算數(shù)平均值為289HBW。本次試驗(yàn)示值重復(fù)性為0.69%，示值誤差為-0.34%。示值重復(fù)性和示值誤差均滿足GB/T 231.2-2012 要求，期間核查結(jié)果滿意。通過(guò)對(duì)硬度計(jì)試驗(yàn)力、壓球直徑、壓痕直徑測(cè)量裝置、示值重復(fù)性和示值誤差進(jìn)行期間核查，此硬度計(jì)符合GB/T 231.2-2012 標(biāo)準(zhǔn)要求，設(shè)備穩(wěn)定試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確。上次質(zhì)控結(jié)果不滿意是由于所用硬度塊內(nèi)控樣品賦值不準(zhǔn)造成的。通過(guò)以上分析可得出，對(duì)布氏硬度試驗(yàn)結(jié)果影響最大的是壓痕直徑測(cè)量誤差和試驗(yàn)力誤差。針對(duì)布氏硬度試驗(yàn)，我們給出了如下建議。

（1）定期對(duì)布氏硬度計(jì)進(jìn)行期間核查，尤其關(guān)注試驗(yàn)力和壓痕測(cè)量裝置的核查。如設(shè)備日常工作狀態(tài)良好質(zhì)控結(jié)果滿意，可以通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)硬度塊進(jìn)行核查，計(jì)算硬度計(jì)的示值重復(fù)性和示值誤差。如核查結(jié)果不滿意或者接近臨界值，就要對(duì)硬度計(jì)試驗(yàn)力、壓球直徑和壓痕測(cè)量裝置進(jìn)行全面核查，分析誤差來(lái)源。

（2）適當(dāng)提高壓痕測(cè)量裝置視場(chǎng)亮度，提高視覺(jué)分辨力。為了減小人員誤差，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)視力讀數(shù)能力培訓(xùn)，并進(jìn)行人員目光比對(duì)，可通過(guò)對(duì)同一壓痕直徑測(cè)量進(jìn)行人員比對(duì)，也可對(duì)標(biāo)準(zhǔn)硬度塊上標(biāo)準(zhǔn)壓痕直徑測(cè)量進(jìn)行人員監(jiān)督。

（3）根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求制定作業(yè)指導(dǎo)書(shū)，規(guī)范試驗(yàn)操作。

（4）在質(zhì)控活動(dòng)中，使用經(jīng)計(jì)量部門校準(zhǔn)有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，杜絕因內(nèi)控樣賦值不準(zhǔn)造成質(zhì)控結(jié)果不滿意。