维氏硬度试验力的误差检定及校准分析

曹敬韫

以维氏硬度试验原理为基础，确定维氏硬度试验时，务必保证硬度值的准确性，对相关参数进行优化，分析产生试验力误差的原因，并在此基础上深入研究各类因素对维氏硬度检测数值的影响，最终在掌握各影响因素的前提下，采取措施进行优化处理，将测量误差控制到最小。

一、维氏硬度试验原理

维氏硬度试验所应用的金刚石正四棱锥体，其压头两相对面夹角保持136°，确定压头试验力为F，以此作用来压入试件表面，保持一定时间后，将试验力卸除。可在试件表面得到一个正四棱锥形的压痕，对此压痕的对角线长度进行测量得到d，然后根据平均值来计算并得出压痕表面积。［1］维氏硬度值即试验力F除以压痕表面积的数值，以HV表示。其计算公式为：

其中，α表示金刚石压头顶部量相对面夹角136°，F表示试验力，d表示两压痕对角线长度d1与d2的算数平均值。

二、维氏硬度试验力误差分析

（一）试验力误差分析

在维氏硬度试验中，可将专用支承件放置在三等标准测力计轴线位置，利用待检硬度计对测力仪负荷预压三次，完成零点调整，此时支承件重力不会对测力准确性产生影响，并且，还可以避免卸装支撑件压头，不仅可提升测力准确性，同时还能缩短试验时间。其中，试验力、硬度值以及主轴上下端间隙等均会对硬度计符合杠杆实际下沉位置产生影响，但实际操作中无法有效标记测量下沉位置，一般只对最大下沉位置进行测量。受到试验力影响，测力仪弹性体会产生较大变形，不得在试验期间将试台升高，同时在上升试验时还要施加一定试验力，保证试验力全部作用在测力仪上。对整个维氏硬度试验过程进行分析，可以确定主轴、杠杆系统、工作周以及砝码重力经过杠杆比放大形成的力均可看作试验力，另外还有试验过程中的摩擦力。由此可以确定，杠杆比、工作轴重力、杠杆主轴、砝码以及摩擦力等全部为导致维氏硬度试验出现误差的原因。

（二）误差检定

试验时应用最小级力值硬度计，将测力仪放置在试台中心轴线位置，放置支承件后转动手轮。试台上升时确定支承件缺口与金刚石压头体对应，继续增加负荷，在标准时间内将杠杆下沉到标记范围内。然后调整试台上下高度，将杠杆由原来水平位置降低到标记位置，记录两个位置对应的测力仪数值A1和A2，计算确定与杠杆支撑点的比值：A1-A2/A-100%。A为测力仪标准负荷下的数值，计算所得比值越小，则证明杠杆支承点越好，相反，比值越大则表示不同硬度下试验力变化明显，误差差异较大。出现此种情况的关键因素为负荷杠杆三个支承点存在磨损，接触面积加大，当面对不同的下沉位置时，支承位置会发生改变，相应的杠杆比值也会变化。［2］另外，因为三个支承点中钢球与刀刃压力较大，磨损情况严重，当上述比值超过1%后，必须对钢球和刀刃进行检查，并对磨损部位进行修复，确认刀刃宽度维持在0.1mm内。

另外，上下调整试台位置时，测力仪会得到两个数值A3与A4。A3为试台与主轴上升时，摩擦力向下，在与试验力保持同向状态时，测力仪所得数值。A4为试台与主轴下降时，摩擦力向上，在与试验力保持同向状态时，测力仪所得数值。可确定：

其中，K表示常量，A表示标准负荷状态下测力仪所测数值。根据此可确定摩擦力与试验力关系：Fr/Fs=A3-A4/2A

其中，Fr表示摩擦力，Fs表示试验力。两者比值超过1%时，可确定摩擦力较大，相应的试验力误差也较大。分析此类问题的影响因素有：主轴、工作轴、保护罩脏污或锈蚀；主轴和工作轴两者未保持同心状态；主轴与弹簧张力差异较大，弹簧与挂孔配合误差较大，导致主轴从运行位置脱离，与导座产生摩擦。

（三）杠杆比校准

以维氏硬度试验结果为基础，对最小一级试验力误差进行计算：A4-A/A-100%。如果比值超过1%，则需要对试验力进行校准操作。其中，假如试验过程中应用了至少两种试验力，则还需对杠杆比进行测定与校准。实际操作中如果发现杠杆比异常，需要对固定支架螺丝进行检查，确认是否存在松动问题，检查后偏离位置较小，可直接调整刀子位置来将误差消除，完成杠杆比校准。如果调整到极限仍无法校准，则需要将刀子调整到中间位置，并对偏心螺钉进行调整，最大限度地减小偏心螺钉对主轴上端面以及偏钉球面之间的间隙，将其带来的影响降到最小。

三、结语

静态力测定硬度的方法中，维氏硬度试验方法具有最高的精确度，适用性非常强，可以测量的硬度范围广泛。但是想要保证测量结果的准确性，还需要做好误差鉴定和校准，排除各项因素造成的不良影响。