高精度布氏硬度压痕测量系统

　　1　前　言

　　布氏硬度测试的原理[1]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。其计算公式为:

式中,D为球压头直径,以mm为单位;F为试验力,以N为单位;d为压痕直径,以mm为单位。为分析布氏硬度测量误差源,对式(1)中各个分量求偏导得各个分量的灵敏系数[2],见表1。

　　式中,uF、uD、ud分别代表试验力、球压头直径、压痕直径的计量标准不确定度。

　　由式(2)折合成相对不确定度为

　　根据布氏硬度试验方法[3]和检定规程[4]中关于硬度标准装置技术条件中的规定,布氏硬度试验有效性的要求为压痕直径d与球压头直径D的关系为d=(0·24~0·6)D;试验力允差为±0·1%以内;球压头直径最大允差为测量装置和方法相同时,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,标准装置不确定度最大,同时由式(3)可得:

　　由式(4)不难得出,压痕测量的不确定度在硬度机总不确定度中是最大的,减小压痕测量的不确定度对提高布氏硬度基准装置精度具有特别重要的意义。新颁布的国际标准规定,在测量直径小于1 mm的布氏硬度压痕时,布氏硬度压痕测量系统的分辨力要优于0·5μm。

　　2　技术方案

　　中国计量科学研究院现用的压痕测量系统已使用了20多年,考虑到该系统早在上世纪80年代初已确定为基准装置的组成部分,而不同的光路系统对同一个布氏硬度压痕的测量会有或多或少的影响(布氏压痕在产生时其边缘因挤压而产生出挤高效应,不同的光路系统会因边缘效应而使测量的数值有所不同),而且通过检查,我们认为光路系统依然

　　很好,只是由于长时期使用,机械部分有不同程度的磨损和变形(特别是导轨部分)。其测量部分采用鼓轮读数后,其估读精度才能达到1μm,该精度已不能满足新颁布的国家标准要求。同时,由于该仪器已使用了20多年,相当于有了20多年的自然时效,其各个部分残余应力已充分释放了,仪器各个部分均应处于较稳定的状态。若能修复影响测量精度的变形部分,如导轨部分,重新精密装调,采用高精度的长度计取代鼓轮读数以提高测量精度,这将使布氏硬度压痕测量系统既具有高精度,又具有高稳定性的特点。对于基准装置而言,精度与稳定性同等重要。具体技术方案如下:

　　(1)传感器选用德国生产的长度计,精度为0·2μm。

　　(2)长度计的安装和压痕测量系统调修:恰当选择长度计安装位置,以尽可能地减少阿贝误差;调整压痕测量系统工作台的限位装置,使得在任何情况下,长度计测量部分不会压缩超过其极限,以保护长度计不被损坏;精密研磨修复导轨,使之达到技术要求;修复传动部分,消除爬行等现象。