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技術(shù)文章

超聲硬度計(jì)校準(zhǔn)規(guī)范

超聲硬度計(jì)校準(zhǔn)規(guī)范

一、規(guī)范修訂的背景及目的

近年來，超聲硬度計(jì)在航空、航天、**、汽車、船舶等大型制造領(lǐng)域，尤其是生產(chǎn)現(xiàn)場的大型、異形或**工件等，無法進(jìn)行靜態(tài)(如布、洛、維硬度)測量的情況時(shí)，受到使用者的青睞。超聲硬度測量的特點(diǎn)是儀器輕巧、壓痕微小、操作簡便、便于攜帶，測量工件硬度時(shí)，其壓痕幾乎達(dá)到無痕跡的程度，屬于無損測量范疇，在對超大型工件的硬度測量上有著**的優(yōu)勢。

JJF1436-2013《超聲硬度計(jì)校準(zhǔn)規(guī)范》是在JJG654-1990《超聲硬度計(jì)檢定規(guī)程》(以下簡稱“舊規(guī)程”)的基礎(chǔ)上修訂的。

事實(shí)上，超聲硬度計(jì)的壓頭是維氏正四棱錐壓頭，它的測量原理應(yīng)屬于維氏范疇。在舊規(guī)程中卻只給出了洛氏硬度示值誤差和示值重復(fù)性的要求，這顯然是在當(dāng)時(shí)制定條件下存在的缺陷，因此舊規(guī)程已無法滿足應(yīng)用領(lǐng)域的要求。為了彌補(bǔ)舊規(guī)程中的不足，受國內(nèi)力值硬度計(jì)量技術(shù)委員會(huì)的委托，我們對舊規(guī)程進(jìn)行了修訂。JJF1436-2013于2014年4月25日起正式實(shí)施。

二、規(guī)范修訂的主要內(nèi)容

1.JJF1436-2013對硬度計(jì)示值誤差和示值重復(fù)性沒有提出要求，它只是對在校準(zhǔn)過程中的實(shí)驗(yàn)條件、校準(zhǔn)方法、校準(zhǔn)項(xiàng)目、校準(zhǔn)中所使用的儀器設(shè)備進(jìn)行了規(guī)定，并且在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，給出了測量結(jié)果不確定度的計(jì)算方法。這點(diǎn)與舊規(guī)程完全不同。舊規(guī)程是要給出硬性的指標(biāo)，測量結(jié)果與這些指標(biāo)的符合程度，是判定這臺儀器是否合格的關(guān)鍵。而JJF1436-2013則不作這些硬性的指標(biāo)，只是給出了測量結(jié)果和測量結(jié)果的不確定度，使用者應(yīng)根據(jù)這些數(shù)據(jù)的結(jié)果，自己判定儀器是否準(zhǔn)確可靠和符合使用要求。合格與否、是否滿足使用要求，完全由使用者判定和掌握。

2.去除了舊規(guī)程中對壓頭的檢定和對測量傳感器基波頻率的測定。

由于有些超聲硬度計(jì)的壓頭或壓頭保護(hù)套無法拆卸，這對壓頭幾何量和同軸度的測量存在一定的困難，難以實(shí)施，同時(shí)，測量傳感器的基波頻率的測定已經(jīng)不屬于力學(xué)測量范疇，根據(jù)實(shí)際情況的需要，對這一部分可不再提出要求。

3.增加了對校準(zhǔn)參數(shù)的測定。即超聲硬度計(jì)在標(biāo)準(zhǔn)硬度塊上測量5點(diǎn)，然后將5點(diǎn)的平均值與硬度塊的標(biāo)稱值進(jìn)行比較，修正校準(zhǔn)參數(shù)，再正式校準(zhǔn)和使用。

準(zhǔn)確地說，超聲硬度計(jì)實(shí)質(zhì)是一種比較儀，使用它測量硬度時(shí)，因不同材料種類的試樣，硬度值會(huì)存在明顯偏差。為了**測量，必須把已知同種類試樣的硬度參數(shù)標(biāo)定到超聲硬度計(jì)里，再由此超聲硬度計(jì)測量同種類材料的試樣，此時(shí)，測量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定度和**度才能獲得良好結(jié)果。只有這樣，才能消除由于材料彈性模量的不同引起測量示值較大差異的現(xiàn)象。這一點(diǎn)也是JJF1436-2013應(yīng)用者尤其要注意的地方，否則，即使是合格的超聲硬度計(jì)所顯示的數(shù)值，也會(huì)與真實(shí)值有較大的差距。

4.增加了對超聲硬度計(jì)漂移量測定的要求。即在正式校準(zhǔn)后1小時(shí)，再次對超聲硬度計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)，前后兩次校準(zhǔn)數(shù)據(jù)之差，即為漂移量。

超聲硬度計(jì)的原理與靜態(tài)的傳統(tǒng)硬度計(jì)不同，它是由傳感器測量到的頻率變化量去計(jì)算得到硬度值的，這就要求集成電路等電子元器件要有較高的穩(wěn)定性，否則將不能滿足和完成檢測的需要。

三、規(guī)范在執(zhí)行中應(yīng)注意的問題

1.超聲硬度計(jì)實(shí)際就是運(yùn)用超聲方法測量硬度，根據(jù)國外相關(guān)資料顯示，運(yùn)用超聲硬度測量時(shí)需加以(UCI)區(qū)別表示，這表明它對材料的彈性模量的反應(yīng)非常敏感。靜態(tài)布、洛、維硬度計(jì)是根據(jù)壓頭壓入硬度塊的深度或壓痕面積，由公式計(jì)算出硬度值，這種測量方法與材料自身的彈性模量基本沒有明顯的關(guān)系。

超聲硬度計(jì)在開機(jī)使用后，壓頭測量桿自身就產(chǎn)生一個(gè)固有頻率的振動(dòng)，當(dāng)壓頭壓入測量物體后，諧振頻率將發(fā)生變化，根據(jù)頻率變化量、固定壓力值、材料的彈性模量得出壓痕面積，再由維氏硬度公式，得到該被測物體的硬度值。可以看出，頻率數(shù)據(jù)的變化量是關(guān)鍵。不同的彈性模量將會(huì)產(chǎn)生不同的頻率變化量。

在所做的實(shí)驗(yàn)中，曾出現(xiàn)維氏硬度值相同的硬度塊，用超聲硬度計(jì)測量時(shí)，會(huì)存在不同的結(jié)果。這就是因?yàn)閮煞N硬度塊的材質(zhì)和熱處理工藝上的差異，使材料有著不相同的彈性模量，從而使超聲硬度計(jì)的頻率變化量不相同，硬度值也就不相等。

正是由于超聲硬度計(jì)測量原理的特殊性，因而在校準(zhǔn)之前，必須先對硬度計(jì)的校準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行修正。即校準(zhǔn)前，需選用與標(biāo)準(zhǔn)硬度塊相同材質(zhì)的硬度塊進(jìn)行檢測，并對硬度計(jì)中的校準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行修改(詳細(xì)修改步驟見產(chǎn)品說明書)，然后才能進(jìn)行正式校準(zhǔn)測量。參數(shù)修改前，硬度計(jì)示值與標(biāo)準(zhǔn)硬度值相差較大，屬于正常反應(yīng)。

這也是廣大一線計(jì)量檢測人員必須特別注意的。

2.必須考核硬度計(jì)示值的漂移。超聲硬度計(jì)是根據(jù)壓頭振動(dòng)頻率的變化確定硬度值的，而測量頻率變化量是靠儀器中的傳感器、CPU等電子元器件完成。為了考驗(yàn)這些電子元器件的穩(wěn)定性和可靠性，必須在**次校準(zhǔn)1小時(shí)后，再進(jìn)行**次校準(zhǔn)，以獲得其示值的漂移量。

3.多種硬度的表示形式。超聲硬度計(jì)的壓頭是正四棱錐型的維氏壓頭，所以測量值更接近維氏硬度值，硬度按式(1)進(jìn)行計(jì)算。

式中:A——壓痕面積；Eeff——彈性模量；Δf——頻率變化量；f——函數(shù)符號；HV——維氏硬度；α——壓頭相對面夾角136°；F——試驗(yàn)力。

硬度計(jì)中所顯示的布氏值、洛氏值等都是在維氏測量結(jié)果的基礎(chǔ)上換算得到的，必然存在著換算過程的誤差，這點(diǎn)應(yīng)引起使用者的注意。

傳統(tǒng)維氏硬度計(jì)是通過測量壓痕的對角線，得出壓痕面積，再用公式計(jì)算出硬度值，而超聲硬度計(jì)則是根據(jù)傳感器中頻率的變化量(較硬材料上的頻率變化相對較小，因?yàn)閴汉圯^淺。壓痕越深，頻率變化越大，略大的壓痕代表中等硬度。類似的，軟材料上的壓痕是*大的)，再根據(jù)材料的彈性模量，來換算出壓痕面積，*后用公式得出維氏硬度值。這就使得測量方法有了很大不同，從而給操作者帶來了極大的方便。

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