民机铝合金零件硬度值试验误差分析研究

刁春涛 李剑 陈晨

摘   要：本文首先介绍了民机铝合金零件硬度值试验技术的目的和测量原理，硬度试验是检验产品质量、确定合理的加工工艺的主要手段之一;然后以常用的洛氏硬度计为例，研究了当前工艺水平下铝合金零件硬度值试验技术的误差来源，通过相关数据分析误差范围，并保守预估试验的误差在±1.0HR范围内较为合理;最后提出了提高铝合金零件硬度值测量精度的建议。

关键词：铝合金  洛氏硬度  试验误差

中图分类号：V249.1                                 文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）02（a）-0130-02

硬度试验是金属机械性能试验中最简单、迅速和较易实施的方法，是检验产品质量、确定合理的加工工艺的主要手段之一，在生产和科研中得到广泛应用[1]。随着国内航空制造业地不断发展和深入，时常出现测量的零件硬度值超差，需要使用与零件同牌号、同炉批、同规格、同状态的试样做力学性能测试，若合格则可接受，若不合格则不可接受。有时存在因硬度值试验本身误差导致测试的零件硬度值超差[2]，制作试样并做力学性能测试过程将耗费人力、物力，耽误制造周期。有时因为各种原因无法制作试样测试力学性能而导致报废零件。保证硬度量值的准确一致和测试仪器的正确使用，对于提高产品质量、提高零件合格率、降低制造成本和降低原材料消耗都具有重要的作用。因此，非常有必要开展民机铝合金零件硬度值试验本身误差的分析研究。

本文主要介绍了民机铝合金零件硬度值试验技术的目的和测量原理，研究当前工艺水平下铝合金零件硬度值试验技术本身的误差，得出误差范围，为民机铝合金零件硬度值的测量以及超差处置提供参考。

1  硬度值试验目的

硬度试验是用来检查材料的状态，但合格的硬度值并不能保证其机械性能合格。零件和原材料的硬度检验合格与否必须根据随带的工艺单证明其经指定的热处理或冷加工，同时根据合格的硬度值来判定。

2  硬度值测量原理

经过不断的优化和完善，洛氏硬度试验法已成为最常用的试验法之一。民机铝合金零件硬度试验常选用洛氏硬度试验法。

洛氏硬度测定方法的原理：用规定的压头，在先后施加的两个负荷（预负荷F0和总负荷F）作用下压入试样表面，在总负荷F保持一定的时间后卸除主负荷F1，保留预负荷，测量其压入深度h1，以h1和在预负荷作用下的压入深度h0之差Δh表示洛氏硬度的高低。以压头轴向位置0.002mm为1个洛氏硬度单位。

3  硬度值试验误差分析

洛氏硬度计一般由机体、加荷机构、测深机构和压头等组成。硬度计本身的负荷误差、压头形位误差及测深机构误差、试验条件的变化和人员操作误差等等都将对洛氏硬度试验的结果带来一定误差[1]。

3.1 负荷误差

负荷误差包括预负荷、主负荷误差以及加荷不平稳等等。硬度计的负荷是通过砝码或弹簧产生的，所以负荷误差主要取决于负荷弹簧的弹力、砝码的重量、负荷杠杆臂比变化、加荷过程中的摩擦力及加荷机构（如缓冲器）的作用是否正常等。负荷误差对硬度测定值的影响，见表1。

从表1可知，预负荷比名义值增大时，测量的硬度值偏高;预负荷的影响对低硬度显著，对高硬度较小。主负荷比名义值增大时，测量的硬度值偏低;主负荷的影响对低硬度显著，对高硬度较小。

3.2 压头轴线方向的变形和位移

机架的弹性变形、升降丝杠的弹性变形和轴向位移、试样支承面与工作台面的密合性不良等均影响试验的结果。弹性变形对硬度值的影响可达0.5HRB。主轴倾斜影响试验结果，见表2。

从表2可知，主轴倾斜使得硬度值降低。倾斜度越大，硬度值降低越显著。

3.3 测量机构的误差

测量设备，比如光学投影装置、百分表本身的误差、测量系统的机械摩擦力、测量小杠杆的臂比误差等均对硬度测定值有一定影响。一般要求测量机构的误差不大于±0.5HRB。

3.4 负荷施加速度的影响

洛氏硬度试验属静载试验，负荷施加时应保持平稳、没有冲击。

根据相关实验，当主负荷施加速度由2s变为12s时对硬度值的影响为0.2～0.6HRB。为了保证试验精度，一般规定加荷速度压入时间为4～6s。主负荷应在2～3s内均匀卸除，不得有冲击、振动。

3.5 温度的影响

温度的改变不仅会引起金属内部结构的微小变化，而且会引起硬度计缓冲器中油的粘度变化，从而改变加荷速度，最终影响硬度值的变化。试验温度增高时，硬度值降低。因此试验时温度不能偏差太大，否则应对试验结果进行修正。

3.6 操作误差

试验条件的选择、压头的安装、加卸荷速度计负荷保持时间的控制以及读数所带来的误差都归类为操作误差。其中有的属于随机误差。因此试验操作人员必须经过训练，严格按照硬度值试验要求操作，提高试验精度。

3.7 试样的影响

试样表面质量对硬度值测量有一定影响。表面油脂的润滑作用会使得测量的硬度值偏低;表面的铁锈等脏物会增加压头的摩擦，使得测量的硬度值偏高。表面的平面性、工作面与支承面的平行性不好，也将带来误差。试样厚度不够，或者试样与工作面密合不好将使得测量的硬度值偏低。

综上，洛氏硬度试验的误差来源较多，主要包括负荷、压头、测量机构、试样、试验条件、操作误差，通过分析可以得出试验的误差在±1.0HR范围内较为合理。

4  提高测量精度的建议

计量部门需按照硬度计的检定项目、检定用具及检定方法的技术条件对使用中的硬度计进行周期检定。使用单位应经常使用标准硬度块进行日常检定，当出现测量值异常时应全面查找原因。硬度检验人员应掌握有关的试验法及规程的内容，熟悉仪器结构性能和正确使用。提高测量精度的建议如下：

（1）硬度计测量杠杆应保持长期稳定性，可用一、二套较好的标准硬度块，定期在同一硬度块上试验。在硬度试验前，使用与试样硬度值接近的标准硬度块校机，使得试验结果更为可靠。

（2）试样应清洗干净，丝杠上的防锈油不能太厚，否则试验结果将降低。丝杠最好有可伸缩的防护套。硬度块只能在工作面上试验，硬度块翻新后需重新标定。

（3）加、卸荷应平稳，缓冲器有效，表针转动灵活。

5  结语

本文说明了铝合金零件硬度值试验的目的和测量原理，以常用的洛氏硬度计为例，研究了当前工艺水平下铝合金零件硬度值试验技术的误差来源，主要包括负荷、压头、测量机构、试样、试验条件、操作误差，通过相关数据分析误差范围，可以得出试验的误差在±1.0HR范围内较为合理。最后提出了提高测量精度的建议。为民机铝合金零件硬度值的测量以及超差处置提供参考和支持。

参考文献

[1] 杨迪，杨辉其.金属硬度试验[M].北京：中国计量出版社，1988.

[2] 万茹涛.铝合金热处理硬度不合格的原因及对策[J].科技創新导报，2018，15（11）：99，101.

[3] 张超，王楠.洛氏硬度检测不确定度对检验结果符合性评价的影响[J].品牌与标准化，2015（5）：78-80.