摘 要:對比了美標(biāo)和國標(biāo)中關(guān)于維氏硬度試驗壓痕對角線的判定規(guī)則,國標(biāo)中規(guī)定兩條對角 線之差不應(yīng)超過平均值的5%,美標(biāo)中規(guī)定如果一條對角線長度的一半大于另一條對角線長度一 半的5%,則試樣表面可能沒有與壓頭軸線垂直,而 NADCAP的審核指導(dǎo)建議則規(guī)定一條對角線 長度的一半不應(yīng)超過該條對角線另一半長度的5%。在試驗結(jié)果的驗證過程中,分別對比了上述3 種方式對壓痕對角線判定的差別,以為維氏硬度測試人員對壓痕對角線的判定工作提供參考。
關(guān)鍵詞:維氏硬度;壓痕對角線;國標(biāo);美標(biāo)
中圖分類號:TG115.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:1001-4012(2023)06-0044-03
維氏硬度測試是靜態(tài)硬度測試中較為精確的一種 方法[1]。在測試過程中發(fā)現(xiàn),ASTME92—2017《金屬 材料 維氏硬度和努氏硬度的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》第7.10.3 章中關(guān)于壓痕對角線判定的理解為:一條對角線長度 的一半不應(yīng)大于另一條對角線長度一半的5% [2],而 NADCAP(美國航空航天和國防工業(yè)對航空航天工業(yè) 的特殊產(chǎn)品和工藝的認(rèn)證)審核建議規(guī)定,任一對角線 的一半不應(yīng)比該對角線的另一半長5%以上。同時國 標(biāo)GB/T4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗 第1 部分:試驗方法》第7.6章中規(guī)定,在平面上壓痕的兩條 對角線長度之差不應(yīng)超過對角線長度平均值的5%。 由此可見,測試方法要求不同會影響對同一壓痕的判 斷。筆者通過改變試樣的傾斜角度產(chǎn)生了不規(guī)則的壓 痕,對比分析了上述3種判定方法的計算結(jié)果,優(yōu)化了 壓痕不規(guī)則材料的硬度測試結(jié)果。
1 試驗方法和儀器
1.1 試驗方法
試樣編號為Z711471,標(biāo)準(zhǔn)示值為457HV,均 勻度為2.8%。用標(biāo)準(zhǔn)試樣來進(jìn)行對比試驗。
試驗載荷:0.2kgf(1kgf=9.80665N)。采用 角度作為變量,同時測量對角線的長度,盡量選取能 夠清晰分辨壓痕,且改變角度時不傷害設(shè)備的載荷。
測試角度:0°與1°。標(biāo)準(zhǔn)片相對載物臺的角度為0°和1°。將0°測得結(jié)果與計算結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn),將 其他角度的測量值和計算結(jié)果所得曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線 進(jìn)行對比。為便于比較,在試樣上端墊高以改變角 度,并且保證只改變豎直方向的角度。
標(biāo)準(zhǔn)片硬度的選取:中值硬度。由于要調(diào)整試 樣的表面,使其與試驗臺水平面成一定角度,而高值 硬度試樣材料不均勻或表面傾斜容易損壞壓頭,故 不使用高值硬度標(biāo)準(zhǔn)片進(jìn)行試驗。
每組試驗次數(shù)為36次,用測得對角線長度進(jìn)行 計算對比。
試驗方法設(shè)計如圖1所示。圖中α為壓頭對角 線角度;β為試樣測試表面與載物臺角度;F 為載荷。
1.2 試驗儀器
用KB30SRFA型全自動維氏硬度測試儀測試試 樣的維氏硬度;用角度調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)試樣的傾斜角度。
2 設(shè)定變量與建立數(shù)學(xué)模型
2.1 變量的設(shè)定
國標(biāo)中對角線判定規(guī)則的變量設(shè)定:將對角線 的水平方向長度以及豎直方向長度分別設(shè)定為d1 和d2(見圖2)。
NADCAP審核指導(dǎo)建議中變量的設(shè)定:將豎直 方向?qū)蔷€的上半條和下半條長度分別設(shè)定為l1 與d1-l1;將水平方向?qū)蔷€的上半條和下半條長 度分別設(shè)定為l2 與d2-l2(見圖3)。
美標(biāo)譯文中變量的設(shè)定:將對角線水平方向長 度的一半與對角線豎直方向長度的一半分別設(shè)定為 d1 2 和 d2 2 (見圖4)。
2.2 建立數(shù)學(xué)模型
GB/T4340.1—2009中對角線判定方法如式(1)所示。
式中:dm 為兩條對角線長度的平均值。
NADCAP審核建議 ASTME92—2017中對角 線判定方法如式(2),(3)所示。
美標(biāo) ASTM E92—2017譯文中對角線判定方 法如式(4)所示。
3 試驗結(jié)果
3.1 標(biāo)準(zhǔn)片測值分析
正態(tài)分布曲線繪制:若隨機變量x 服從一個數(shù) 學(xué)期望為μ、方差為σ2 的正態(tài)分布,記為N(μ,σ2); 則這個隨機變量就稱為正態(tài)隨機變量,記作x~N (μ,σ2)。假定測試得到的硬度遵循正態(tài)分布曲 線[3],其概率密度函數(shù)如式(5)所示。
測試值應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)值的±3%誤差區(qū)間內(nèi),故置信 區(qū)間應(yīng)為[443.29,470.71]。
由式(5)初步計算,兩組試驗的測試值符合正態(tài) 分布曲線的趨勢,由于計算結(jié)果過小,所畫曲線不易 觀察,最終將結(jié)果放大103 倍再繪制曲線。兩組試 驗測試值概率密度曲線如圖5所示。
正態(tài)分布曲線的分析:試樣與載物臺呈0°時, 曲線的走勢明顯呈正態(tài)分布,而試樣與載物臺角度 為1°時,曲線走勢已經(jīng)不是經(jīng)典的正態(tài)分布,同時 其概率密度也與標(biāo)準(zhǔn)值相差很大,方差和標(biāo)準(zhǔn)差都比試樣與載物臺呈0°時更大。可知在改變試樣與 載物臺的相對角度時,測量結(jié)果有較大的偏差。
3.2 對角線判定公式計算分析
試樣與載物臺呈0°時,3種方式對角線判定計 算值的散點圖如圖6所示。測量值超出誤差范圍的 點有4個。雖然試樣與載物臺角度為0°,但是試驗 用標(biāo)準(zhǔn)片有2.8%的不均勻度,不在誤差范圍內(nèi)的 點很可能處在特殊位置。
由圖6可知:按照 NADCAP審核建議,對于超 誤差的4個測量點,美標(biāo)對角線方法判斷為數(shù)據(jù)偏 離點,而同等條件下的國標(biāo)與美標(biāo)譯文要求則判定 為正常。
試樣與載物臺呈1°的對角線判定計算值的散 點圖如圖7所示。測量值超出誤差范圍的點有7 個,明顯多于試樣與載物臺呈0°的點數(shù),說明試樣 測試值的準(zhǔn)確與否與其表面是否平行于載物臺有很 大關(guān)系。
試樣與載物臺呈1°時,按國標(biāo)判定,僅2點不滿 足要 求,美 標(biāo) 譯 文 挑 出 3 點 不 符 合 要 求,而 NADCAP審核建議中美標(biāo)的對角線判定規(guī)則將對 角線豎直方向均判定為不滿足誤差要求,可以得出 壓頭在豎直方向與試樣表面不平行的結(jié)論。
對角線水平方向上的判定有14點滿足要求,1點不滿足要求,證明了試驗滿足只改變豎直方向角 度的設(shè)定。
從36點的測量結(jié)果可以看到,按照國標(biāo)方法與 美標(biāo)譯文計算測量對角線的長度,絕大部分點的計 算值均有效,但是 NADCAP審核建議中的美標(biāo)對 角線判 定 方 式 可 以 將 問 題 點 挑 出。綜 上 可 知, NADCAP審核建議的美標(biāo)對角線判定規(guī)則更為嚴(yán) 謹(jǐn)[4]。
4 結(jié)論
(1)試樣上、下表面的平行度較好時,3種方式 測試結(jié)果差異較小。
(2)滿足GB/T4340.1—2009與ASTME92— 2017的要求時,對于一些對角線長度差異不大,但 是壓痕不規(guī)則的測試點,NADCAP審核建議的美標(biāo) 判定更為嚴(yán)謹(jǐn)。
(3)由于試樣上、下表面不平行的角度過大,測 量值會變化很大而失去參考價值,同時可能造成拖 尾現(xiàn)象[5]。在日常加工中,要求試樣上、下表面角度 小于1°。
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