小负荷布氏硬度基准装置的研制

    计量基准的特点是实现量值的最高准确度、计量性能长期不变、工作过程可靠性好和能长期正常使用。在小负荷布氏硬度基准装置研制中, 针对计量基准的特点, 结合布氏硬度的具体情况, 笔者在实现基准装置的高精度、计量性能稳定、操作过程可靠和能长期正常运行等方面进行了精心设计。

    一、实现布氏硬度基准装置高精度

    布氏硬度测试的原理是用一定直径的硬质合金球压头, 以规定的负荷压入试样表面, 经规定时间后卸除负荷, 测量试样表面的压痕直径。计算公式如下:

式 中 : D———球 压 头 直 径 , mm; F———试 验 力 , N;d———压痕直径, mm。

    由定义公式分析各分量对布氏硬度测量不确定度影响的程度, 对式(1) 中各个分量求偏导得各个分量的灵敏系数:

    根据布氏硬度试验方法和检定规程中关于硬度基准装置技术条件中的规定, 可知布氏硬度试验有效性的要求, 即须满足压痕直径d与球压头直径D的关系: d=(0.24~0.6)D; 各级试验力的最大允差为其标称值的±0.1%;球压头直径的最大允差为其标称值的±0.1%; 压痕越小,压痕测量的相对不确定度越大, 当压痕直径d=0.24D时,基准装置不确定度最大, 可得:

式中: u_cref、u_F、u_D、u_d———基准装置、试验力、球压头直径、压痕测量的相对标准不确定度。

    由式(5) 可知, 压痕测量的不确定度对基准装置的合成不确定度影响最大, 提高压痕测量系统准确度对提高基准装置的合成不确定度具有重要作用。

    在布氏硬度基准装置压痕测量系统中, 采用高精度长度计直接测量工作台位移, 消除了原测量方式中鼓轮读数测量带来的回程间隙, 提高了工作台位移测量的准确度。改造后的布氏硬度基准装置压痕测量系统, 经过测试, 工作台位移的测量准确度如表1所示。

    压痕测量系统的测量误差由工作台的位移测量误差和测量压痕时人眼的瞄准误差组成。人眼的瞄准误差与测量显微镜放大倍率、工作台的分辨率等有关。

    测量系统的人眼瞄准误差测量方法是: 在同一个压痕的边缘分别测量10次, 每次测量都必须重新调整焦距和对线。用贝塞尔公式计算单次测量标准差, 即为测量压痕时人眼的瞄准误差。压痕测量系统的人眼瞄准误差的测得数据为 ( 单位: mm) : 2.0002、2.0005、2.0000、2.0001、2.0003、2.0004、2.0001、2.0004、2.0002、2.0006。

    用贝塞尔公式计算单次测量标准差σ=0.0002mm,即为压痕测量系统的人眼瞄准误差ΔW=0.0002(mm)。

    实际测量一个压痕时, 需要测量一个压痕直径的两端, 人眼瞄准误差出现两次。压痕测量的人眼瞄准误差: