提高鑄鐵材料布氏硬度快速測試精度的方法

王 偉

（浙江亞太機(jī)電股份有限公司，浙江 杭州 311203）

在金屬材料硬度檢測中，布氏硬度測量法的操作方式簡單，應(yīng)用范圍廣泛。隨著測量技術(shù)的不斷發(fā)展，測深法快速測試法越來越完善，并逐漸得到推廣和應(yīng)用，而在測深法快速測試法的實(shí)際應(yīng)用中，很多因素均會(huì)對測量精度產(chǎn)生較大影響，因此，對鑄鐵材料布氏硬度快速測試方法進(jìn)行深入研究迫在眉睫。

1 快速布氏硬度測深法試驗(yàn)方法

在金屬材料布氏硬度檢測中，快速壓痕（布氏）硬度試驗(yàn)方法即為測深法，在具體的檢測過程中，首先采用硬質(zhì)合金球，并對其施加初始試驗(yàn)力以及工作試驗(yàn)力，在力的作用下將其壓入至金屬材料試樣表面，并保持一定時(shí)間，然后再卸除工作試驗(yàn)力，對試驗(yàn)力施加前后壓頭位置的差值進(jìn)行計(jì)算分析。通過選擇多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)布氏硬度塊，并對深度值進(jìn)行檢測，同時(shí)選擇與之相對應(yīng)的布氏硬度值，即可確定在一定試驗(yàn)條件下壓痕深度和布氏硬度二者之間的關(guān)系。通過將測深法和傳統(tǒng)的布氏硬度試驗(yàn)法進(jìn)行對比，測深法的應(yīng)用優(yōu)勢明顯，能夠顯著提升檢測速度，無需應(yīng)用光學(xué)顯微鏡，因此測量方式簡單，不會(huì)由于人為讀數(shù)而出現(xiàn)檢測誤差。在具體的檢測過程中，可適當(dāng)縮短保壓時(shí)間，同時(shí)在金屬材料曲面上也可應(yīng)用測深法進(jìn)行檢測。因此，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，測深法的應(yīng)用比較常見，有利于顯著提升檢測效率。

2 鑄鐵材料布氏硬度快速測試結(jié)果影響因素

（1）壓頭鋼球的影響。在應(yīng)用壓頭鋼球進(jìn)行檢測時(shí)，需對測深法的應(yīng)用規(guī)定進(jìn)行分析，據(jù)此選擇一定直徑的壓頭鋼球，如果鋼球直徑差異比較大，則布氏硬度值也有一定差異，因此無法對檢測精度進(jìn)行對比分析。另外，壓頭鋼球硬度以及表面粗糙度也會(huì)對布氏硬度值檢測結(jié)果產(chǎn)生較大影響。因此，應(yīng)以相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)作為依據(jù)，定期對壓頭鋼球的狀態(tài)進(jìn)行檢查。如果鋼球直徑為2.5mm或者5mm，則對于允許偏差，應(yīng)控制在0.005mm以內(nèi)，而如果鋼球直徑為10mm，則應(yīng)將允許偏差控制在0.01mm以內(nèi)。

（2）試驗(yàn)力的影響。布氏硬度計(jì)試驗(yàn)力主要受到重力因素影響，包括砝碼重力、掛掉重力等，一般是在杠桿作用的影響下放大所形成的，在杠桿比以及活動(dòng)部位摩擦力影響下，試驗(yàn)力有一定偏差。另外，在檢測試驗(yàn)中，試驗(yàn)力施加方向、保持時(shí)間以及加速度也會(huì)對布氏硬度計(jì)檢測值產(chǎn)生一定的影響。

（3）試樣表面粗糙度和清潔度的影響。在試樣檢查中，要求試樣表面保持較高光滑度，避免有雜物、油污等影響，進(jìn)而造成硬度檢測結(jié)果出現(xiàn)偏差。如果被測表面粗糙度值比較大，則塑性變形以及圓形壓痕也比較大，硬度值檢測結(jié)果一般偏小。對此，可應(yīng)用磨床或者手工研磨的方式，對被測物表面進(jìn)行修整處理，對其表面粗糙度進(jìn)行調(diào)整。

（4）溫度的影響。根據(jù)試驗(yàn)檢測規(guī)定，在開展布氏硬度試驗(yàn)時(shí)，要求將環(huán)境溫度控制在20℃左右，在同一個(gè)試樣檢測中，如果環(huán)境溫度比較高，則布氏硬度值檢測結(jié)果一般比較低。因此，在開展布氏硬度試驗(yàn)前，檢測人員首先需對環(huán)境溫度進(jìn)行測定，如果環(huán)境溫度無法達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，則應(yīng)對環(huán)境溫度進(jìn)行調(diào)整，對檢測結(jié)果誤差進(jìn)行有效控制。

（5）壓痕直徑計(jì)量誤差的影響。在每次開展布氏硬度試驗(yàn)前，均要求對鋼球在壓頭中的位置進(jìn)行檢查，判斷鋼球是否出現(xiàn)松動(dòng)，避免對檢測結(jié)果準(zhǔn)確性造成不良影響。壓痕直徑測量結(jié)果的影響因素比較多，包括顯微鏡讀數(shù)精度、壓痕邊緣等，因此，要求試驗(yàn)人員學(xué)習(xí)專業(yè)的試驗(yàn)方法，并積累豐富的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，盡量避免人為因素的影響。

3 鑄鐵材料布氏硬度快速測試精度影響因素試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)設(shè)備及原理

在本次研究中，選擇3000BLD/T布氏硬度計(jì)作為研究對象，在具體的試驗(yàn)過程中，對于試樣表面，需施加初始載荷，對于壓頭在試件表面的壓入深度，可記為h0，確定壓頭位置，并將其作為測深參考點(diǎn)，然后即可加載主載荷，并保持一定時(shí)間，然后卸荷，對壓頭深度進(jìn)行檢測，記為h1。在加載完成后，通過應(yīng)用系統(tǒng)，即可對壓痕參與深度h進(jìn)行檢測，其為h1和h0之間的差值。最后，根據(jù)檢測結(jié)果繪制深度-硬度擬合曲線。加載過程如圖1所示。

圖1 測深法加載過程

3.2 建立深度-硬度轉(zhuǎn)換關(guān)系

在檢測試驗(yàn)前，應(yīng)在設(shè)備中繪制壓痕深度與硬度相對應(yīng)的擬合曲線，通過對這一曲線進(jìn)行分析，具有一定的測試范圍，通過應(yīng)用這一曲線，即可將測深結(jié)果轉(zhuǎn)變?yōu)橛捕戎怠Ｉ疃取捕绒D(zhuǎn)換精度的影響因素主要有三點(diǎn)，包括試樣來源、采樣方式以及數(shù)據(jù)分布情況。

（1）試樣制備。在本次試驗(yàn)分析中應(yīng)用3000BLD/T布氏硬度計(jì)，通過對其測算系統(tǒng)進(jìn)行分析，為確定壓痕深度與布氏硬度之間的對應(yīng)關(guān)系，應(yīng)將計(jì)算軟件中的多點(diǎn)拋物線曲線擬合算法作為基礎(chǔ)。在試驗(yàn)過程中采集深度—硬度對應(yīng)數(shù)據(jù)，然后再繪制硬度隨壓痕深度增加而不斷遞減的曲線，通過代入不同的壓痕深度，并對這一曲線進(jìn)行分析，即可確定布氏硬度值。為保證采樣數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，必須保證試樣來源可靠。

如果參考以往數(shù)據(jù)，則由于設(shè)備不同，因此，在設(shè)備精度、試樣制備方式等的影響下，原始數(shù)據(jù)偏差比較大，而如果應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)硬度塊進(jìn)行試驗(yàn)，則成本投入量比較大，并且試驗(yàn)數(shù)據(jù)覆蓋度比較低。對此，可選擇批量送檢的試樣，并制備采樣硬度塊進(jìn)行試驗(yàn)。在展開采樣試驗(yàn)檢測前，可應(yīng)用以往檢測過程中所得鑄件樣條，并對試樣進(jìn)行刨銑以及整平處理，對其厚度和長度進(jìn)行有效控制，確保符合取樣要求，保證試樣平整度，可穩(wěn)定放置在設(shè)備工作臺(tái)表面。試樣表面粗糙度會(huì)對壓痕測量精度產(chǎn)生較大影響，對此，在本次試驗(yàn)中，對于試樣表面粗糙度，應(yīng)控制在0.8mm以內(nèi)。

（2）試樣數(shù)據(jù)測試。在對單鑄或附鑄試樣進(jìn)行硬度試驗(yàn)檢測時(shí)，檢測結(jié)果均勻性一般低于標(biāo)準(zhǔn)塊硬度檢測結(jié)果，因此，在采樣過程中，應(yīng)注意無需對壓痕深度平均值進(jìn)行測量。另外，工作臺(tái)面絲桿具有初始間隙，因此，對于同一硬度塊，可多次進(jìn)行測試分析，并對示值進(jìn)行分析，如果示值穩(wěn)定，則可選擇最后一次壓痕深度，并進(jìn)行準(zhǔn)確測量。在本次試驗(yàn)中，選擇應(yīng)用高精度光學(xué)全自動(dòng)布氏硬度壓痕測量系統(tǒng)，與普通顯微鏡相比，檢測結(jié)果準(zhǔn)確性更高。

選擇某HT250灰口鑄鐵試樣進(jìn)行檢測，通過應(yīng)用上述測試方式進(jìn)行多次試驗(yàn)，所得深度-硬度對應(yīng)曲線如圖2所示。對于布氏硬度值，可應(yīng)用測深法進(jìn)行換算，并采用HBT表示，而如果采用測量壓痕直徑換算布氏硬度值，則可應(yīng)用HBW表示。

圖2 某HT250試樣的深度—硬度對應(yīng)關(guān)系擬合曲線

（3）試樣數(shù)據(jù)擬合。在試樣送檢過程中，試樣硬度一般很難覆蓋要求范圍內(nèi)的所有值，標(biāo)準(zhǔn)試塊的積累需一定時(shí)間，同時(shí)由于樣塊儲(chǔ)備比較少，因此采樣點(diǎn)分布均勻性比較差，對此，在壓痕檢測中，可應(yīng)用自動(dòng)壓痕測量系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)查，再將兩次檢測所得布氏硬度檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。對于HBT和HBW之間的額偏差，可記為，計(jì)算方式如下：

本次試驗(yàn)由3名檢測人員負(fù)責(zé)，試驗(yàn)環(huán)境溫度為（19±3）℃，首先對3000BLD/T布氏硬度計(jì)進(jìn)行檢定，并選擇HT250材料進(jìn)行檢測，選擇多個(gè)批次共100個(gè)試樣，在測深法快速布氏硬度試驗(yàn)完成后，對于試驗(yàn)結(jié)果，采用光學(xué)自動(dòng)壓痕測量系統(tǒng)復(fù)查3次。在獲得大量測試結(jié)果后，剔除奇異點(diǎn)，然后對檢測結(jié)果與光學(xué)壓痕測量法所得硬度檢測結(jié)果進(jìn)行對比，偏差如圖3所示。

圖3 測深法的硬度偏差

通過對圖3進(jìn)行分析，如果壓痕深度檢測結(jié)果處于擬合曲線的兩端，則根據(jù)測深法轉(zhuǎn)換所得硬度偏差比較大。為了對檢測結(jié)果偏差進(jìn)行有效控制，應(yīng)適當(dāng)提升樣本數(shù)據(jù)分布均勻性，如果部分區(qū)域檢測結(jié)果誤差比較大，則可適當(dāng)增加采樣密度，對誤差進(jìn)行有效控制。

4 鑄鐵材料布氏硬度快速測試精度提升策略

在根據(jù)預(yù)制深度—硬度對應(yīng)表創(chuàng)建擬合曲線時(shí)，可對量程范圍中的同類材料試樣展開布氏硬度快速測試，為保證測試結(jié)果準(zhǔn)確性，在具體的測試過程中，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）對于測試對象，可選擇批量試樣，通過對測試對象的材料類型進(jìn)行分析，其與深度—硬度對應(yīng)關(guān)系的試塊材料保持相同，在擬合曲線校正中，數(shù)據(jù)量比較大，可保證校正的有效性。如果測試對象的基體組織和試塊之間的差異比較大，則建議應(yīng)用面積法。

（2）為提升采樣數(shù)據(jù)的可靠性，應(yīng)將試樣制備形成取樣專用硬度塊。在初始深度—硬度對應(yīng)關(guān)系創(chuàng)建完成后，在后續(xù)檢測過程中，還應(yīng)選擇同材料試塊對表中數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而提升擬合曲線精度。

（3）深度—硬度轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確性會(huì)對布氏硬度快速測試結(jié)果精度產(chǎn)生較大影響，對此，應(yīng)適當(dāng)增加樣點(diǎn)數(shù)據(jù)密集程度。在具體的檢測過程中，在采樣數(shù)據(jù)總數(shù)一定的情況下，應(yīng)對誤差帶分布情況進(jìn)行分析，如果部分區(qū)域誤差比較大，則應(yīng)適當(dāng)增加采樣密度。

5 結(jié)語

現(xiàn)如今硬度檢測技術(shù)發(fā)展迅速，傳統(tǒng)的里氏硬度計(jì)可靠性比較差，所得結(jié)果精度比較低，對此，可應(yīng)用布氏硬度計(jì)，而布氏硬度快速測試法為新型現(xiàn)場布氏硬度檢測方式，在檢測過程中，應(yīng)合理應(yīng)用自動(dòng)化監(jiān)測設(shè)備，同時(shí)對檢測環(huán)境、采樣點(diǎn)等進(jìn)行有效控制，提升測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。