邵 勇

（四川中核艾瑞特工程检测有限公司，四川 绵阳 621000）

维氏硬度计被广泛运用于工业生产、运用于科研单位、大专院校、产企业及检测机构；对维氏硬度计使用中几种影响因素的控制也都有比较完善的的方法，如试样表面粗糙度、检验面与压头的角度等。由于测量标线(目镜刻线)很细(目镜观测下为0.1mm)，在检测过程中通常忽略线宽，即认为标线为是绝对细的，线宽为零。但实际测量中标线的宽度是客观存在的且与人眼辨别能力形成复合作用，影响材料的硬度检测值，文章在维氏硬度检测领域首次考虑了人眼分辨能力和测量标线宽度两个影响因素，并对其影响程度进行了分析。

1 测量原理

维氏硬度计工作原理是：将顶部两相对面具有规定角度的正四棱锥体金刚石压头用一定的试验力压入试样表面，保持规定时间后，卸除试验力，测量试样表面压痕对角线长度。维氏硬度值与试验力除于压痕表面积的商成正比。

图1 试验原理

测得压痕对角线长度代入式1，或者查找硬度表即可得到材料硬度值。

2 测量过程分析

试验前进行调零——两标线重合间距为零(也可以定义两标线刚刚接触时为零点)。移动标线1、2 分别与压痕相对的两个棱角重合，则标线1、2 之间的距离就是压痕对角线的长度。

图2 压痕对角线长度测量示意图

实际测量中标线的宽度是客观存在的，就图2 红色圆圈部分对角线测量时的标线与压痕棱角可能存在的几种接触情况进行分析，存在以下5 中接触：

图3 压痕棱角与测量标线接触情况

当标线宽度不可忽略时，测量理论标线应是实际标线的中轴线(图4 红色虚线)，因此在图3 所示的5 种标线与压痕棱角接触情况中1 、5 产生的偏差最大。

图 4

图 5

通常人眼的最小辨别尺寸约为0.085mm，即两个物体间距在0.085mm 范围内时人眼感观判断两个物体是接触的。经验证，检测人员长期熟练操作时的辨别能力能达到0.05mm。如图5所示，压痕棱角距离标线左右边线的距离均为0.05mm 时检测员人眼“判断”棱角与标线“重合”，此时偏差均为0.05mm+0.5倍标线宽度。

3 测量偏差分析

以目镜视野下(10X)标线宽度为0.1mm 进行分析，测量对角线长度时相对两边的偏差均为±0.1mm，则两边累计误差为±0.2mm。实际测量读数时要对压痕形状进行放大测量，因此实际测量时的误差会因放大倍数的增大而被不同程度的减小，详见表1。

表1 不同观测倍数下压痕对角线长度测量偏差(mm)

以HV5、HV10、HV20、HV30、HV50 五种常用的试验力，测得100HV、200HV、300HV、400HV、500HV 五个硬度值时产生的对角线平均长度，通过公式1 进行计算可以得到，详见表2。

表2 不同试验力值测量不同硬度值时产生的对角线理论长度(mm)

将偏差带入已知的对角线长度数据得到偏差影响后的对角线长度测量值，以100HV 值为例可得下表：

表3 100HV 材料在偏差影响下的对角线长度测量值(mm)

将表3 的数据代入公式1 中计算硬度值并与原始值100HV 比较，可以得到硬度检测值的最大偏差，同理，分别算出200HV至500HV 硬度值偏差汇总：

表4 不同硬度值的检测值偏差(HV)

从表5 可以可知，使用HV5 力值和100X 测量倍数产生的偏差最大，100HV-500HV 分别达到了1.3%、1.8%、2.3%、2.6%、2.9%；而使用HV50 力值和400X 测量倍数产生的偏差最小，100HV-500HV 分别为0.1%、0.1%、0.2%、0.2%、0.2%，其偏差趋势图如下：

图6

偏差趋势图形状像一个向右开口的叠层花筒(外层花筒是低倍偏差线内侧喇叭上高倍偏差线)，花筒上半部分略宽，并且硬度值越大花筒开口越大。

4 结语

对角线长度测量值偏差数据、硬度值偏差数据以及硬度值偏差趋势图进行总结分析，正常人眼分辨能力下标线宽度影响造成的偏差有以下几个结论：

该偏差在一定的条件下会超过2%，不容忽视；

同一硬度值测量，若放大倍数相同，随着试验力值的增加(HV5 至HV50)偏差逐步降低；

同一硬度值测量，若试验力值相同，放大倍数越大偏差越小；

试验力值和放大倍数相同时，样品的硬度值越大其偏差越大。

当对角线长度偏差为负时其硬度值偏差为正，同样数值的负长

度偏差造成的硬度值偏差大于正长度偏差造成的硬度值负偏差绝对值。

根据以上结论，并结合公式1 可知标线宽度的偏差是作用在d 上，要减小偏差值对结果的影响就要降低偏差值对d 的相对比值：

(1)偏差不变，增大d 值——选用高试验力值；

(2)d 值不变，减小偏差影响——选用高放大倍数。

但是在实际运用中，选用高试验力值、高放大倍数是受到限制的，要结合实际情况选用，其主要限制有以下4 条：

(1)部分情况下，试验力值是试验方法标准指定的，不得更改；

(2)频繁使用高的试验力值检测高硬度材料时容易损坏试验机压头；

(3)试验机的放大倍数调整空间有限，一般目镜固定10X，物镜为1～3 个固定可调倍率(10X、20X、40X)；

(4)读数时视野是有限的，选用越高的放大倍数其能够测量到的实际尺寸越小。

5 不足和改进

文章是基于正常人眼的分辨能力进行分析的，未考虑不同视力情况下的分辨能力和光栅衍射等其他影响。