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磁力式硬度計的校準及不確定度評定

嘉峪檢測網        2019-11-21 17:23

磁力式硬度計的結構及工作原理

 

磁力吸盤

 

磁力式硬度計一般采用磁力吸盤,將硬度計固定于鋼鐵工件表面,從而確保其在硬度測量加載和卸載等過程中不發生移動。

 

磁力吸盤系統主要由永磁體、導磁體和電磁體組成,其工作原理如圖1所示。

 

磁力式硬度計的校準及不確定度評定

圖1 磁力吸盤工作原理示意圖

 

圖中虛線表示磁力開關,可以通過調節磁力開關控制電磁體的磁極方向。當磁力吸盤系統處于關閉狀態時,永磁體和電磁體的磁場極性相反,磁場通過導磁材料內部形成磁力線,對外表現為磁場削弱,磁力吸盤不會對鋼鐵零件產生磁力,僅供方便調整硬度測試位置。當磁力吸盤系統處于開啟狀態時,永磁體和電磁體的磁場極性相同,磁場產生疊加效應,疊加后的磁力線通過導磁體進入鋼鐵零件,對外表現為磁場加強,磁力吸盤會牢牢吸附在鋼鐵零件上,將硬度計固定于測試樣品表面。

 

硬度計壓頭

 

硬度計壓頭是磁力式硬度計的主要部件,裝在測量裝置的主軸上。布氏硬度計的壓頭為直徑2.5mm或5mm的硬質合金球,洛氏硬度計的壓頭為120°金剛石圓錐體或直徑1.588mm的硬質合金球。

 

硬度測量方法

 

磁力式硬度計試驗方法與臺式硬度計試驗方法相同。如圖2所示,洛氏硬度是在初試驗力F0和總試驗力F(F=F0+F1,F1為主試驗力)先后作用下,將金剛石圓錐體或球壓頭壓入試樣表面,在保持規定的時間后,卸除主試驗力F1,測量初試驗力F0下的壓痕殘余深度;布氏硬度是將一定直徑(D)的硬質合金球壓頭在相應試驗力作用下壓入試樣表面,在規定的保持時間后,卸除試驗力,測量留在試樣表面的壓痕直徑d(或深度h),計算試驗力除以壓痕表面積的數值。

磁力式硬度計的校準及不確定度評定

圖2 洛氏硬度和布氏硬度試驗原理示意圖

 

由上述分析可知,磁力式硬度計滿足GB/T 231.1-2018«金屬材料布氏硬度試驗第1部分:試驗方法»以及GB/T 230.1-2018«金屬材料洛氏硬度試驗第1部分:試驗方法»規定的試驗條件。測量布氏硬度的硬度計一般包括試驗力加載機構和力值指示裝置;測量洛氏硬度時,還需要壓痕深度測量裝置或洛氏硬度值指示裝置。

 

磁力式硬度計的校準

 

主要校準器的選擇

 

標準硬度塊為實物量具,其穩定性和均勻度好,對硬度計進行校準的測量結果不確定度小。由于磁力式硬度計的結構與臺式硬度計的不同,磁力吸盤的結構會限制加載區的范圍。根據需要選擇40mm×60mm規格或長寬比更大的條形硬度塊,且滿足工作面表面積不小于2400mm2,以便校準區域的位置調整和固定,保障檢測數據的有效性。

 

支撐底座設計

 

根據磁力式硬度計的結構和試驗原理,設計加工鋼材支撐底座,其結構如圖3所示。

 

磁力式硬度計的校準及不確定度評定

圖3 支撐底座結構示意圖

 

支撐底座分為固定區和加載區,固定區為硬度計磁力吸盤吸附的位置,參考市場上大部分磁力式硬度計的尺寸規格,建議c不小于60mm,f不小于60mm。加載區為硬度計主軸位置,校準硬度計的標準器一般為標準硬度塊,根據檢定規程要求,建議b不小于50mm,e不小于6mm,在同時滿足加載區有效放置標準硬度塊并且固定區可以穩定吸附的條件下,為了方便攜帶和安裝,可以盡量降低a和d,建議a不大于300mm,d不大于100mm。

 

校準方法

 

首先通過觀察和實際操作確定加力機構和升降機構可以正常工作,指示裝置刻度標記清晰正確且易于讀取。然后對于洛氏硬度,根據不同標尺選擇合適的壓頭和試驗力,硬度塊和壓頭相接觸時應緩慢平穩,以免損壞壓頭。主試驗力施加時間為1~8s,總試驗力保持時間為(4±2)s,主試驗力在2~8s內平穩卸除。在標準塊的工作面上測定6點,第1點不計,其余5點均勻分布,并取平均值。最后進行數據處理,其平均值與標準塊硬度值之差,即為硬度計的示值誤差,5點硬度值中最大值與最小值之差為示值重復性。對于布氏硬度,可根據不同的要求選擇合適的試驗力和壓頭,加載時間和數據處理方法按照GB/T 231.1-2018規定進行,5個測量點的硬度平均值與標準塊硬度值之差除以標準塊硬度值即為示值誤差,5點硬度值中最大值和最小值之差與標準塊硬度值的比值為示值重復性

 

磁力式硬度計的不確定度評定實例

 

根據磁力式硬度計的計量特性,給出利用磁力式硬度計測量洛氏硬度HRC標尺(高值)結果的不確定度評定實例。

 

數學模型

 

數學模型公式如下

ΔH=Hm-Hb(1)

式中:ΔH為硬度計的示值誤差;Hm為硬度塊的標準值;Hb為硬度計示值的算術平均值。

 

不確定度傳播律

輸入量Hm和Hb彼此獨立不相關,則有

 

磁力式硬度計的校準及不確定度評定

Hm的靈敏度系數c1=1;Hb的靈敏度系數c2=-1。

 

輸入量Hm的標準不確定度u(Hm)的評定

輸入量Hm的標準不確定度u(Hm)來源主要由兩部分組成,即硬度計的示值重復性引起的標準不確定度u(Hm1)、硬度計的分辨力引起的標準不確定度u(Hm2)。

 

u(Hm1)的評定

硬度計的示值重復性主要來源于標準硬度計和標準硬度塊的均勻度。硬度計示值是在標準硬度塊上不同區域測得的結果,其測量的特殊性是同一點不可能重復測試,所以硬度計示值的重復性已經包含了標準硬度塊均勻度對其示值的影響。通過連續測量得到一組測量列,采用A類評定方法進行評定。在一塊硬度值為64.3HRC的標準硬度塊上選取5個點進行硬度測量,其結果的平均值和試驗標準差見表1。

 

表1 測量結果的平均值和試驗標準差HRC

磁力式硬度計的校準及不確定度評定

 

已知測量點數n為5,每個硬度塊在重復條件下連續測量5次,5點硬度平均值的標準不確定度可按照下式計算

磁力式硬度計的校準及不確定度評定

 

u(Hm2)的評定

硬度計示值讀數鼓輪的分度值為1HRC,分辨力導致的示值誤差限為±0.5HRC,由于被測量可能值出現在這一個分散區間內任一點的概率相等,其變化服從矩形分布,采用B類不確定度評定,其不確定度按照下式計算

磁力式硬度計的校準及不確定度評定

 

輸入量Hb的標準不確定度u(Hb)的評定

 

不確定度u(Hb)由定值證書和經驗給出,采用B類評定方法進行評定。硬度值為64.3HRC的標準洛氏硬度塊,校準證書給出其擴展不確定度為0.3HRC,包含因子k=2,則有

u(Hb)=0.3/2=0.15HRC  (5)

 

硬度計的合成標準不確定度

 

已知各標準不確定度分量,根據不確定度傳播律,得到合成標準不確定度,見表2。

 

表2 不確定度分量及合成標準不確定度HRC

磁力式硬度計的校準及不確定度評定

 

擴展不確定度的評定

 

取包含因子k=2,洛氏硬度(HRC高值)測量結果的擴展不確定度U為

U=k·uc(ΔH)=2×0.37≈0.8HRC  (6)

 

由于標準硬度塊均勻穩定,所以實驗室最佳測量能力和實驗室一般測量能力的不確定度基本一致,其他洛氏硬度標尺不確定度評定方法與此相同。布氏硬度示值誤差的不確定度評定可以參考以上方法,計算其相對擴展不確定度。

 

結論

 

通過對磁力吸盤工作原理的分析,給出了磁力式硬度計支撐底座的結構設計方案;選擇40mm×60mm規格或長寬比更大的條形標準硬度塊作為校準器進行檢測,按照洛氏硬度和布氏硬度相對應的校準方法,便于實現磁力式硬度計的實驗室校準;通過磁力式硬度計測得的數據,對其洛氏硬度高值測量結果進行不確定度的評定,可確保磁力式硬度計測量結果的準確可靠。

 

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來源:蔣帆理化檢驗

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