张荣
（中国航发西航计量中心 陕西 西安 710021）
摘要：硬度试验法是材料机械性能试验中最简单、最迅速的方法。它是测定材料机械性能，检验产品质量，确定合理的热处理规范和机械加工工艺的主要方法之一，是保证产品质量不可缺少的重要手段。本文将着重就维氏和显微硬度计在试验工作中的影响因素及常见故障进行系统分析，为更好地开展维氏硬度计量工作提供技术支持。
关键词：维氏硬度；试验；准确性
引言
维氏硬度是采用金刚石正四角锥体作压头。压头两相对面夹角（简称面角）为136°，其棱角为148°6′42″。一般试验力在49.03N（5kgf）以上的称为维氏硬度试验，试验力在9.8N(1kgf)～49.03N(5kgf)之间的称为小负荷维氏硬度试验，试验力在0.490N(50gf)～9.8N(1kgf)之间的称为显微硬度试验。一般做定量测定的常用0.490N(50gf)以上的试验力，而0.490N(50gf)以下的试验力多做定性分析用。
1 维氏硬度计的结构
维氏硬度计一般由加试验力机构、压头、压痕测量装置和机体等部件组成。
1.1加试验力机构，是硬度计的主要机构之一，一般包括试验力机构、加卸试验力控制机构、变试验力机构以及控制加试验力速度和保持时间的机构，如缓冲器装置等。试验力形成的方式，又分为直接加荷式和杠杆加荷式。除了以上两种加试验力方式外，还有弹簧、液压驱动、凸轮和传感器等加试验力机构。
1.2压痕测量装置。一般采用读数显微镜、显微投影屏和CCD传感器及驱动系统进行压痕测量。
1.3机体，是安装主要机构和部件的主体，机体形状可分为门式和悬臂式两种。
2 影响维氏硬度示值准确性的因素
2.1硬度计引起的影响因素
2.1.1试验力影响因素
从维氏硬度的计算公式中
可以看出，试验力误差将直接影响到测量结果，所引起的硬度值的相对误差约等于试验力的相对误差。试验证明，当试验力误差为±1.0%时，硬度值误差为。因此硬度计的试验力误差应满足相关计量检定规程的要求。
2.1.1.1试验力超差
杠杆比变化，支点刀刃严重磨损或轴承磨损，刀子松动或托盘吊挂变位，杠杆变形等；主轴或压轴倾斜；砝码重量变化，表面镀层脱落，砝码内部铅块脱落，碰伤等；加荷有冲击及外来振动影响；显微硬度计负荷弹簧弹力变化或校正不准；显微硬度计主轴或负荷杠杆的重量未平衡掉。
2.1.1.2试验力不稳定
刀子松、刀刃磨损或轴承锈蚀有摩擦；砝码施加过程中有摩擦；主轴运动摩擦力太大；加荷有冲击及外来振动的影响；上下轴不同心或有摩擦；机构不正常、机体不水平引起摩擦；支承与杠杆脱离时有粘结现象。
2.1.1.3试验力没有全部加上
维氏硬度计上下轴间隙太大，不符合规定；试件及支承台下沉；维氏硬度计保护罩端部与压头尖端距离过大；加卸荷升降支承杆调整过长，有故障，下降距离过短，使得负荷杠杆不能下降到最低位置；负荷变换机构不灵活，作用失调；缓冲器有故障或安装不正，使活塞不能下降到最低位置；显微硬度计压头与试样距离过大。
2.1.1.4试验力施加时有振动
缓冲器作用不良，表现为缺油、调节不当或机械振动；加卸荷机构作用不良，其它部件的影响；外来的振动等。
2.1.2测量装置影响因素
测量装置误差是构成维氏硬度误差的主要部分，根据维氏硬度计算公式可知，硬度值与压痕对角线的平方成反比，微分后变换得出，由对角线误差引起的硬度值误差为
从上式可以看出，对角线增大，硬度值降低，如对角线d=200μm,测量误差△d=±2μm,所引起硬度值的误差为+2%，当试验力较小时，硬度值高时影响更大。
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2.1.2.1测量误差大
光学部件位置变动；物镜未到位或未按有关规定安装；微分筒零线未对准；物镜数值孔径和放大倍数选择不当；刻度尺和微分筒制造误差大。
2.1.2.2测量装置视场模糊
光线太暗，表现为棱镜位置变化、光源位置不对、半透镜位置未调好、光栏开启过小；镜片有霉点或污物；镜片位移或倾斜；物镜和目镜焦距调整不当；透镜象质不好，清晰度不够；滤光片选择不当；镜片严重碰伤。
2.1.3金刚石正四棱角锥体压头影响因素
压头面角增大，则硬度值降低。试验证明，如果压头两棱面夹角的误差△α=±30′时，所引起硬度值误差为-0.3%。若压头两棱面夹角的误差在△α=±5′以内，压痕所引起的硬度值误差可以不予考虑。
压头横刃尺寸误差，对硬度值有影响，而且对小压痕的影响较显著，压头横刃是由角锥体棱线不交于一点而形成的，若棱线质量不好，压头顶端也会出现一个小平面，使用这种压头进行试验室，会影响试验结果。一般在(294～980)N（30～100kgf）的试验力下压出的压痕，压头横刃在(0.5～3)μm时影响不大，因为此时所得压痕较大。
2.1.3.1表面质量
表面粗糙度超差；金刚石焊接不牢；有机械损伤。
2.1.3.2几何形状
棱面夹角超差；横刃超差；锥体轴线与压头柄轴线同轴度超差；各锥面与轴线的夹角不相等，引起压痕的不正方性超差；金刚石的结晶轴线与压头轴线不同心甚大；棱边的直线度超差；棱面的平面度超差。
3.2试样质量引起的影响因素
2.2.1材料特性影响因素
不同位置的硬度不均匀性；不同深度的硬度不均匀性；材料的弹性与塑性性能；不同方向的硬度不一致性。
2.2.2试样状况影响因素
试样试验面粗糙度不合格；试验面的平面度超差；试验面与支承面的平行度超差；试验面覆盖层未去掉；加工硬化或烧伤；试验面曲率影响；试样厚度过薄或试验面过于狭小；试样温度影响等。
2.2.3试样的加工方法（显微硬度试样）影响因素
研磨的方向和压力；抛光的方法（机械抛光、电解抛光等）；抛光剂或砂纸的粒度。
2.3试验条件引起的影响因素
2.3.1试验室温波动使硬度计参数变化，试样温度变化带来影响；
2.3.2附近有振源影响；
2.3.3加荷速度和试验力保持时间不符合规定。维氏硬度试验要求加试验力速度为(0.15～0.25)mm/s，如果加试验力速度过快，则产生了附加惯性力，使硬度值偏低（压痕过大），对高硬度影响较大，对低硬度影响较小。
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七、存在的问题及建议
1、铁法矿区西线铁路（调兵山—法库—小康—大平—大强）个别区段曲线半径小，增加了车辆车轮轮缘非正常磨损，如自翻车、K18型系列煤炭漏斗车车辆踏面磨耗、轮缘垂直磨耗严重，建议工务段指派专人定时、定区段在小曲线半径钢轨内侧面进行涂抹润滑油（禁止往钢轨上端面涂油），以降低或减少车辆轮缘非正常磨损，从而减少车轮非正常旋修加工和资源浪费。
2、数控车轮车床操作人员技术水平需进一步提高；建议采取走出去、请进来的方式，提高员工掌握新装备技术理论水平和业务技能。
八、结束语
CK8013D/5数控车轮车床技术革新改造虽取得成效，但还需要工程技术人员及操作者进一步掌握其应用技能，提高技术水平，使之发挥最佳效能。
参考文献：
[1]西南交通大学主编.《车辆构造》【M】.中国铁路出版社.第四版.1987年
[2]中华人民共和国铁道部铁路货车段修规程【M】北京：中国铁道出版社，2012
第一作者简介：刘明强（1964— ），男，高级工程师，2009年毕业于辽宁工程技术大学机械工程及自动化专业，现任铁法能源公司铁路运输部修造公司副经理。
论文作者:张荣
论文发表刊物:《科技研究》2019年1期
论文发表时间:2019/4/23
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