民機鋁合金零件硬度值試驗誤差分析研究

刁春濤 李劍 陳晨

摘 ? 要：本文首先介紹了民機鋁合金零件硬度值試驗技術的目的和測量原理，硬度試驗是檢驗產品質量、確定合理的加工工藝的主要手段之一;然后以常用的洛氏硬度計為例，研究了當前工藝水平下鋁合金零件硬度值試驗技術的誤差來源，通過相關數據分析誤差范圍，并保守預估試驗的誤差在±1.0HR范圍內較為合理;最后提出了提高鋁合金零件硬度值測量精度的建議。

關鍵詞：鋁合金 ?洛氏硬度 ?試驗誤差

中圖分類號：V249.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）02（a）-0130-02

硬度試驗是金屬機械性能試驗中最簡單、迅速和較易實施的方法，是檢驗產品質量、確定合理的加工工藝的主要手段之一，在生產和科研中得到廣泛應用[1]。隨著國內航空制造業地不斷發展和深入，時常出現測量的零件硬度值超差，需要使用與零件同牌號、同爐批、同規格、同狀態的試樣做力學性能測試，若合格則可接受，若不合格則不可接受。有時存在因硬度值試驗本身誤差導致測試的零件硬度值超差[2]，制作試樣并做力學性能測試過程將耗費人力、物力，耽誤制造周期。有時因為各種原因無法制作試樣測試力學性能而導致報廢零件。保證硬度量值的準確一致和測試儀器的正確使用，對于提高產品質量、提高零件合格率、降低制造成本和降低原材料消耗都具有重要的作用。因此，非常有必要開展民機鋁合金零件硬度值試驗本身誤差的分析研究。

本文主要介紹了民機鋁合金零件硬度值試驗技術的目的和測量原理，研究當前工藝水平下鋁合金零件硬度值試驗技術本身的誤差，得出誤差范圍，為民機鋁合金零件硬度值的測量以及超差處置提供參考。

1 ?硬度值試驗目的

硬度試驗是用來檢查材料的狀態，但合格的硬度值并不能保證其機械性能合格。零件和原材料的硬度檢驗合格與否必須根據隨帶的工藝單證明其經指定的熱處理或冷加工，同時根據合格的硬度值來判定。

2 ?硬度值測量原理

經過不斷的優化和完善，洛氏硬度試驗法已成為最常用的試驗法之一。民機鋁合金零件硬度試驗常選用洛氏硬度試驗法。

洛氏硬度測定方法的原理：用規定的壓頭，在先后施加的兩個負荷（預負荷F0和總負荷F）作用下壓入試樣表面，在總負荷F保持一定的時間后卸除主負荷F1，保留預負荷，測量其壓入深度h1，以h1和在預負荷作用下的壓入深度h0之差Δh表示洛氏硬度的高低。以壓頭軸向位置0.002mm為1個洛氏硬度單位。

3 ?硬度值試驗誤差分析

洛氏硬度計一般由機體、加荷機構、測深機構和壓頭等組成。硬度計本身的負荷誤差、壓頭形位誤差及測深機構誤差、試驗條件的變化和人員操作誤差等等都將對洛氏硬度試驗的結果帶來一定誤差[1]。

3.1 負荷誤差

負荷誤差包括預負荷、主負荷誤差以及加荷不平穩等等。硬度計的負荷是通過砝碼或彈簧產生的，所以負荷誤差主要取決于負荷彈簧的彈力、砝碼的重量、負荷杠桿臂比變化、加荷過程中的摩擦力及加荷機構（如緩沖器）的作用是否正常等。負荷誤差對硬度測定值的影響，見表1。

從表1可知，預負荷比名義值增大時，測量的硬度值偏高;預負荷的影響對低硬度顯著，對高硬度較小。主負荷比名義值增大時，測量的硬度值偏低;主負荷的影響對低硬度顯著，對高硬度較小。

3.2 壓頭軸線方向的變形和位移

機架的彈性變形、升降絲杠的彈性變形和軸向位移、試樣支承面與工作臺面的密合性不良等均影響試驗的結果。彈性變形對硬度值的影響可達0.5HRB。主軸傾斜影響試驗結果，見表2。

從表2可知，主軸傾斜使得硬度值降低。傾斜度越大，硬度值降低越顯著。

3.3 測量機構的誤差

測量設備，比如光學投影裝置、百分表本身的誤差、測量系統的機械摩擦力、測量小杠桿的臂比誤差等均對硬度測定值有一定影響。一般要求測量機構的誤差不大于±0.5HRB。

3.4 負荷施加速度的影響

洛氏硬度試驗屬靜載試驗，負荷施加時應保持平穩、沒有沖擊。

根據相關實驗，當主負荷施加速度由2s變為12s時對硬度值的影響為0.2～0.6HRB。為了保證試驗精度，一般規定加荷速度壓入時間為4～6s。主負荷應在2～3s內均勻卸除，不得有沖擊、振動。

3.5 溫度的影響

溫度的改變不僅會引起金屬內部結構的微小變化，而且會引起硬度計緩沖器中油的粘度變化，從而改變加荷速度，最終影響硬度值的變化。試驗溫度增高時，硬度值降低。因此試驗時溫度不能偏差太大，否則應對試驗結果進行修正。

3.6 操作誤差

試驗條件的選擇、壓頭的安裝、加卸荷速度計負荷保持時間的控制以及讀數所帶來的誤差都歸類為操作誤差。其中有的屬于隨機誤差。因此試驗操作人員必須經過訓練，嚴格按照硬度值試驗要求操作，提高試驗精度。

3.7 試樣的影響

試樣表面質量對硬度值測量有一定影響。表面油脂的潤滑作用會使得測量的硬度值偏低;表面的鐵銹等臟物會增加壓頭的摩擦，使得測量的硬度值偏高。表面的平面性、工作面與支承面的平行性不好，也將帶來誤差。試樣厚度不夠，或者試樣與工作面密合不好將使得測量的硬度值偏低。

綜上，洛氏硬度試驗的誤差來源較多，主要包括負荷、壓頭、測量機構、試樣、試驗條件、操作誤差，通過分析可以得出試驗的誤差在±1.0HR范圍內較為合理。

4 ?提高測量精度的建議

計量部門需按照硬度計的檢定項目、檢定用具及檢定方法的技術條件對使用中的硬度計進行周期檢定。使用單位應經常使用標準硬度塊進行日常檢定，當出現測量值異常時應全面查找原因。硬度檢驗人員應掌握有關的試驗法及規程的內容，熟悉儀器結構性能和正確使用。提高測量精度的建議如下：

（1）硬度計測量杠桿應保持長期穩定性，可用一、二套較好的標準硬度塊，定期在同一硬度塊上試驗。在硬度試驗前，使用與試樣硬度值接近的標準硬度塊校機，使得試驗結果更為可靠。

（2）試樣應清洗干凈，絲杠上的防銹油不能太厚，否則試驗結果將降低。絲杠最好有可伸縮的防護套。硬度塊只能在工作面上試驗，硬度塊翻新后需重新標定。

（3）加、卸荷應平穩，緩沖器有效，表針轉動靈活。

5 ?結語

本文說明了鋁合金零件硬度值試驗的目的和測量原理，以常用的洛氏硬度計為例，研究了當前工藝水平下鋁合金零件硬度值試驗技術的誤差來源，主要包括負荷、壓頭、測量機構、試樣、試驗條件、操作誤差，通過相關數據分析誤差范圍，可以得出試驗的誤差在±1.0HR范圍內較為合理。最后提出了提高測量精度的建議。為民機鋁合金零件硬度值的測量以及超差處置提供參考和支持。

參考文獻

[1] 楊迪，楊輝其.金屬硬度試驗[M].北京：中國計量出版社，1988.

[2] 萬茹濤.鋁合金熱處理硬度不合格的原因及對策[J].科技創新導報，2018，15（11）：99，101.

[3] 張超，王楠.洛氏硬度檢測不確定度對檢驗結果符合性評價的影響[J].品牌與標準化，2015（5）：78-80.