维氏硬度计数字化原理

　　硬度是金属重要的力学性能指标之一,它的重要性不仅体现在它的物理意义本身,而且体现在它与抗拉强度和耐磨性等的密切关系上.由于抗拉强度、耐磨性试验是破坏性试验,而硬度试验是非破坏性的,且较容易、较方便,因此通常都只要求金属材料、工件或零件的硬度在某一范围内,也就是说,用硬度来表征金属的强度和耐磨性等重要的力学性能指标.所以,硬度试验在金属材料、机械制造领域中的应用极为普遍.因此,在实际应用中使用连续的硬度标度,快速、准确地检验金属的硬度,十分必要.

　　1　维氏硬度计数字化的意义

　　众所周知,只有维氏硬度试验才能使金属建立起连续一致的硬度标度,但现有的维氏硬度计在使用时存在种种不便和限制,如试验力分档、不连续、不能实时获取试验结果、试验结束后才能判定试验是否有效等.这些因素都制约了维氏硬度试验在硬度常规检验中的普遍应用.显而易见,如果以简洁的方法实现维氏硬度计的数字化,保证试验的有效性和试验结果获取的实时性,并具有足够的准确性,就可以使维氏硬度试验广泛地应用于硬度的常规检验,从而解决实际应用中以维氏硬度作为统一的硬度标度的技术问题[1].

　　国内新天精密光学仪器公司、国家计量科学研究院等单位对国家维氏硬度基准进行了数字化改造,以砝码加载,分为5、10、30、50 kg四档,液压控制.试验结束后用线阵排列CCD成像技术测量压痕对角线长度,显微物镜放大率为20倍时,x方向、y方向的极限分辨率分别为0.35μm和0.1μm.硬度基准的多次测量重复性3σ=0.07%~0.1%,再现性<0.6%,与TπO-2国家维氏硬度基准比对,差值<0.5%;以用相近方法数字化了的意大利计量所(TMGC)基准和德国联邦物理技术院(PTB)基准比对,差值分别小于2%和2.4%[2].

　　目前,未见国内外用于硬度常规检验的维氏硬度计的数字化报道.

　　2　对维氏硬度计数字化的基本要求

　　为保证试验的有效性、试验结果的准确性和试验结果获取的实时性,维氏硬度计数字化的基本要求为:

　　(1)试验力连续、均匀变化,不分档,这样可以免除试验力档选择不当引起试验无效或相对误差过大的情况发生.

　　(2)加载过程中,实时显示试验力大小和包括弹性变形和塑性变形两部分在内的压头压入试样的程度.这样,对于厚试样、硬试样,可将试验力加至预定的数值;对于薄试样,可用控制试验力的方法,控制压头压入试样的程度(试样或试验层厚度和硬度的大致范围是可以估计的),在保证本次试验有效的基础上,压痕尽可能大些.

　　(3)卸除试验力后,在线读取这个点的硬度值并自动存储;每个试样试验结束后,自动进行试验数据处理,输出维氏硬度平均值和硬度示值波动度等所需数据.