显微维氏硬度测量系统重复性和再现性研究

显微维氏硬度测量系统重复性和再现性研究

李锦怡

广安电气检测中心（广东）有限公司 广东东莞 523000

[摘要]金属维氏硬度试验室是静态力压痕试验方法的一种，是检测冶金产品质量和热处理制度常用的重要手段。目前国内实验室主要依据GB/T4340.1-2009《金属材料 维氏硬度试验 第1部分：试验方法》进行试验。显微维氏硬度综合测量系统，属于现阶段被广泛应用至各种金属材料实际硬度测量当中的一种测量手段。为更进一步对显微维氏硬度实测数据精准性实施分析，本文主要是先借助文献资料检索方法，检索国内外显微维氏硬度综合测量系统相关的研究报告和学术论文等，对相关研究成果进行系统化地梳理及总结分析后，选定三名操作员，借助GB/T4340系列标准及电脑测量维氏硬度计，对试验样品开展显微维氏硬度现场测量操作，利用测量系统的分析方法开展测量数据深入分析及探究，对该测量系统实际重复性及其再现性实施定量描述。最终结果则表明借助了显微维氏硬度自动化测量系统的P/TV为9.90%，且P/T为10.00%，这两项指标都＞10%，证实此测量系统具备优良的能力；该系统可取的分组数为NDC=14，表明整个系统具备优良的分辨力，且适宜应用至过程参数有效性估计分析当中。本次课题研究运用到各种学科方法、基础理论及成果，并从整体入手综合研究本课题，以保证本次课题研究的客观性及精准性。

[关键词]测量系统；显微维氏硬度；再现性；重复性；

前言：

显微维氏硬度仪器设备，通常被应用至工艺检验当中，对镀层、硬化层、薄件及小件实施硬度测量，对工艺总体处理效果实施有效性地检测分析，便于对加工硬化及摩擦相关材料表面具体性质变化情况开展综合分析，也适用金属材料的物理学相关领域实践研究工作。为确保显微维氏硬度综合测量操作更具精准度，对显微维氏硬度综合测量系统的重复性与其再现性开展试验分析，有着一定的现实意义和价值。

1、关于显微维氏硬度的概述

显微维氏硬度，从属维氏硬度范畴，依照着试验力实际大小情况，维氏硬度通常包含着维氏硬度、显微和小力值这三种维氏硬度的试验，其试验力总体范围为0.09807≤F<49.031。由于呈较小的试验力，针对显微硬度基本特点，则详细如下：极小的试验力及其压痕，基本上不会损伤到所选定试验样品[1]；压力极具多样性，不仅包含着正四棱型锥体的金刚石这种材质压头、极薄试验样品双柱形的压头、1mm以下直径圆柱试验样品船底形的压头，还有适宜测定高硬度类型材料的三角形角锥体和双锥形这两种压头。

金属材料维氏硬度试验是应用较广泛的静力硬度试验方法，是测定材料力学性能常用试验之一，是检测材料产品质量和热处理制度常用的重要手段。以一定的负荷，将相对面夹角为 136°的方锥形金刚石压入材料表面，保持规定时间后，测量压痕对角线长度，再按公式用载荷值除以材料压痕凹坑的表面积，即为维氏硬度值(HV)。

影响维氏硬度测量结果准确的主要因素如下：

1）试验力：硬度值大小与试验力大小、试验力方向、试验力保持时间及其施加速度有关。

2）压头：硬度值与金刚石压头两相对面夹角、横刃及其四棱锥体的表面粗糙度等均有关。当压头顶端不是一个点而是一条线时，称这条线为压头横刃。

3）试样：硬度值与试样材质、形状和表面粗糙度、压痕间和压痕到试样边缘间距离以及试样温度等均有关。

影响维氏硬度试验结果准确度的主要原因如下：

1）压痕对角线长度测量不精确引起的硬度测量误差；

2）试验力偏离标准值引起的硬度测量误差；

3）试验力不垂直于试样表面引起的硬度测量误差；

4）试验力保持时间偏离标准值引起的硬度测量误差；

5）试验力施加速度引起的硬度测量误差；

6）金刚石压头两相对面夹角偏离标准值引起的硬度测量误差，夹角α偏大，硬度测得值较硬度真值偏低；

7）压头横刃引起的硬度测量误差；

8）金刚石压头表面粗糙度不符合规定引起的硬度测量误差；

9）压痕间和压痕到试样边缘间距离不符合要求引起的硬度测量误差。

2、试验分析

2.1试验分析必要性

测量数据，往往会受测量操作员、测量对象、测量方法及设备各层面因素所影响，致使有波动情况出现。依托统计学法，了解该测量系统当中各波动源，还有其对于实测结果所造成影响情况，对测量系统能否满足于合理使用相关要求实施判断分析的一个过程，即测量系统相关分析。再现性、重复性层面分析，均属于显微维氏硬度综合测量系统当中关键部分，能够了解测量系统实际波动大小情况，对测量系统达标与否实施准确判断及确认，倘若并未达标，可通过对波动来源的有效识别，将改进或是优化方向提出来。所谓硬度，即材料局部位置抵抗着硬物压入到表面的一方面能力[1]。为对硬度实测数据精准性实施有效性分析，便需对于显微维氏硬度综合测量系统开展重复性与其再现性试验分析。

2.2具体分析

2.2.1试验方法及数据采集

选取10块标准维氏硬度块（Φ25mm×5mm）作为试验样品，样品均匀度完全符合JJG148-2006 《标准维氏硬度块检定规程》的要求。GB/T4340.1－2009《金属材料 维氏硬度试验 第１部分：试验方法》作为试验依据，显微维氏硬度自动化测量系统作为此次试验分析所用测量系统。测量力为1.961N。选定三名操作员（A、B、C）轮流10件试验样品开展测量操作，连续测定5个点的硬度值，将其计算均值作为最终结果，要求每个试验样品均需进行2次测量，实测数据如表1所示。

表1实测数据列表

2.2.2数据分析

将表1当的实测数据全部导入至JMP系统软件，运行测量系统分析模块，获取测量数据相应变异性曲线图，如图1。以方差分析方法为基础，对于测量数据实施综合分析，针对量具的RR分析最终结果详细如下：再现性（AV）数值为8.45，重复性（EV）数值为15.62；量具R&R（RR）数值为17.75；相应部件变异性（RV）数值为17.86，总体变异性（TV）数值为178.74；同时，量具R&R（P/TV）为9.90%；可区分的组数（NDC）数值为14；总体比率（P/T）是为10.00%[3]。此外，该测量系统实际能力判别的各项准则如下：一、P/TV与P/T均维持于10%范围内，则测量系统总体具备良好能力；二、P/TV和P/T，均处于10%~30%范围内，则测量系统总体能力维持临界状态之中；三、P/TV与P/T均在30%以上，则测量系统总体能力呈现不足状态，需加以改进或优化处理。

图1测量数据相应变异性曲线图

3、结语

综上所述，通过此次对显微维氏硬度综合测量系统开展的重复性与其再现性相关试验分析可了解到，显微维氏硬度自动测量操作系统当中，P/TV=9.90%，且P/T=10.00%，这两项指标都在10%以上情况，表明了此测量系统具备优良能力；若是可取的分组数在10以上，则表明该测量系统具备较为良好的分辨力，对过程参数精准估计分析均更具适用性。

参考文献：

[1]Zanobini A,Sereni B,Catelani M,et al.Repeatability and Reproducibility Techniques for the Analysis of Measurement Systems[J].Measurement,2016,15（086）:125-132.

[2]刘振明,肖金城,林滔.维氏硬度检测的误差影响因素分析[J].中国检验检测,2020,28(001):390-391.