正常人眼分辨能力下測量標線寬度對材料維氏硬度檢測值的影響及分析

邵 勇

（四川中核艾瑞特工程檢測有限公司，四川 綿陽 621000）

維氏硬度計被廣泛運用于工業生產、運用于科研單位、大專院校、產企業及檢測機構；對維氏硬度計使用中幾種影響因素的控制也都有比較完善的的方法，如試樣表面粗糙度、檢驗面與壓頭的角度等。由于測量標線(目鏡刻線)很細(目鏡觀測下為0.1mm)，在檢測過程中通常忽略線寬，即認為標線為是絕對細的，線寬為零。但實際測量中標線的寬度是客觀存在的且與人眼辨別能力形成復合作用，影響材料的硬度檢測值，文章在維氏硬度檢測領域首次考慮了人眼分辨能力和測量標線寬度兩個影響因素，并對其影響程度進行了分析。

1 測量原理

維氏硬度計工作原理是：將頂部兩相對面具有規定角度的正四棱錐體金剛石壓頭用一定的試驗力壓入試樣表面，保持規定時間后，卸除試驗力，測量試樣表面壓痕對角線長度。維氏硬度值與試驗力除于壓痕表面積的商成正比。

圖1 試驗原理

測得壓痕對角線長度代入式1，或者查找硬度表即可得到材料硬度值。

2 測量過程分析

試驗前進行調零——兩標線重合間距為零(也可以定義兩標線剛剛接觸時為零點)。移動標線1、2 分別與壓痕相對的兩個棱角重合，則標線1、2 之間的距離就是壓痕對角線的長度。

圖2 壓痕對角線長度測量示意圖

實際測量中標線的寬度是客觀存在的，就圖2 紅色圓圈部分對角線測量時的標線與壓痕棱角可能存在的幾種接觸情況進行分析，存在以下5 中接觸：

圖3 壓痕棱角與測量標線接觸情況

當標線寬度不可忽略時，測量理論標線應是實際標線的中軸線(圖4 紅色虛線)，因此在圖3 所示的5 種標線與壓痕棱角接觸情況中1 、5 產生的偏差最大。

圖 4

圖 5

通常人眼的最小辨別尺寸約為0.085mm，即兩個物體間距在0.085mm 范圍內時人眼感觀判斷兩個物體是接觸的。經驗證，檢測人員長期熟練操作時的辨別能力能達到0.05mm。如圖5所示，壓痕棱角距離標線左右邊線的距離均為0.05mm 時檢測員人眼“判斷”棱角與標線“重合”，此時偏差均為0.05mm+0.5倍標線寬度。

3 測量偏差分析

以目鏡視野下(10X)標線寬度為0.1mm 進行分析，測量對角線長度時相對兩邊的偏差均為±0.1mm，則兩邊累計誤差為±0.2mm。實際測量讀數時要對壓痕形狀進行放大測量，因此實際測量時的誤差會因放大倍數的增大而被不同程度的減小，詳見表1。

表1 不同觀測倍數下壓痕對角線長度測量偏差(mm)

以HV5、HV10、HV20、HV30、HV50 五種常用的試驗力，測得100HV、200HV、300HV、400HV、500HV 五個硬度值時產生的對角線平均長度，通過公式1 進行計算可以得到，詳見表2。

表2 不同試驗力值測量不同硬度值時產生的對角線理論長度(mm)

將偏差帶入已知的對角線長度數據得到偏差影響后的對角線長度測量值，以100HV 值為例可得下表：

表3 100HV 材料在偏差影響下的對角線長度測量值(mm)

將表3 的數據代入公式1 中計算硬度值并與原始值100HV 比較，可以得到硬度檢測值的最大偏差，同理，分別算出200HV至500HV 硬度值偏差匯總：

表4 不同硬度值的檢測值偏差(HV)

從表5 可以可知，使用HV5 力值和100X 測量倍數產生的偏差最大，100HV-500HV 分別達到了1.3%、1.8%、2.3%、2.6%、2.9%；而使用HV50 力值和400X 測量倍數產生的偏差最小，100HV-500HV 分別為0.1%、0.1%、0.2%、0.2%、0.2%，其偏差趨勢圖如下：

圖6

偏差趨勢圖形狀像一個向右開口的疊層花筒(外層花筒是低倍偏差線內側喇叭上高倍偏差線)，花筒上半部分略寬，并且硬度值越大花筒開口越大。

4 結語

對角線長度測量值偏差數據、硬度值偏差數據以及硬度值偏差趨勢圖進行總結分析，正常人眼分辨能力下標線寬度影響造成的偏差有以下幾個結論：

該偏差在一定的條件下會超過2%，不容忽視；

同一硬度值測量，若放大倍數相同，隨著試驗力值的增加(HV5 至HV50)偏差逐步降低；

同一硬度值測量，若試驗力值相同，放大倍數越大偏差越小；

試驗力值和放大倍數相同時，樣品的硬度值越大其偏差越大。

當對角線長度偏差為負時其硬度值偏差為正，同樣數值的負長

度偏差造成的硬度值偏差大于正長度偏差造成的硬度值負偏差絕對值。

根據以上結論，并結合公式1 可知標線寬度的偏差是作用在d 上，要減小偏差值對結果的影響就要降低偏差值對d 的相對比值：

(1)偏差不變，增大d 值——選用高試驗力值；

(2)d 值不變，減小偏差影響——選用高放大倍數。

但是在實際運用中，選用高試驗力值、高放大倍數是受到限制的，要結合實際情況選用，其主要限制有以下4 條：

(1)部分情況下，試驗力值是試驗方法標準指定的，不得更改；

(2)頻繁使用高的試驗力值檢測高硬度材料時容易損壞試驗機壓頭；

(3)試驗機的放大倍數調整空間有限，一般目鏡固定10X，物鏡為1～3 個固定可調倍率(10X、20X、40X)；

(4)讀數時視野是有限的，選用越高的放大倍數其能夠測量到的實際尺寸越小。

5 不足和改進

文章是基于正常人眼的分辨能力進行分析的，未考慮不同視力情況下的分辨能力和光柵衍射等其他影響。