您当前的位置：检测资讯 > 法规标准
嘉峪检测网 2019-11-21 17:23
磁力式硬度计的结构及工作原理
磁力吸盘
磁力式硬度计一般采用磁力吸盘，将硬度计固定于钢铁工件表面，从而确保其在硬度测量加载和卸载等过程中不发生移动。
磁力吸盘系统主要由永磁体、导磁体和电磁体组成，其工作原理如图1所示。
图1 磁力吸盘工作原理示意图
图中虚线表示磁力开关，可以通过调节磁力开关控制电磁体的磁极方向。当磁力吸盘系统处于关闭状态时，永磁体和电磁体的磁场极性相反，磁场通过导磁材料内部形成磁力线，对外表现为磁场削弱，磁力吸盘不会对钢铁零件产生磁力，仅供方便调整硬度测试位置。当磁力吸盘系统处于开启状态时，永磁体和电磁体的磁场极性相同，磁场产生叠加效应，叠加后的磁力线通过导磁体进入钢铁零件，对外表现为磁场加强，磁力吸盘会牢牢吸附在钢铁零件上，将硬度计固定于测试样品表面。
硬度计压头
硬度计压头是磁力式硬度计的主要部件，装在测量装置的主轴上。布氏硬度计的压头为直径2.5mm或5mm的硬质合金球，洛氏硬度计的压头为120°金刚石圆锥体或直径1.588mm的硬质合金球。
硬度测量方法
磁力式硬度计试验方法与台式硬度计试验方法相同。如图2所示，洛氏硬度是在初试验力F0和总试验力F(F＝F0＋F1，F1为主试验力)先后作用下，将金刚石圆锥体或球压头压入试样表面，在保持规定的时间后，卸除主试验力F1，测量初试验力F0下的压痕残余深度；布氏硬度是将一定直径(D)的硬质合金球压头在相应试验力作用下压入试样表面，在规定的保持时间后，卸除试验力，测量留在试样表面的压痕直径d(或深度h)，计算试验力除以压痕表面积的数值。
图2 洛氏硬度和布氏硬度试验原理示意图
由上述分析可知，磁力式硬度计满足GB/T 231.1-2018«金属材料布氏硬度试验第1部分：试验方法»以及GB/T 230.1-2018«金属材料洛氏硬度试验第1部分：试验方法»规定的试验条件。测量布氏硬度的硬度计一般包括试验力加载机构和力值指示装置；测量洛氏硬度时，还需要压痕深度测量装置或洛氏硬度值指示装置。
磁力式硬度计的校准
主要校准器的选择
标准硬度块为实物量具，其稳定性和均匀度好，对硬度计进行校准的测量结果不确定度小。由于磁力式硬度计的结构与台式硬度计的不同，磁力吸盘的结构会限制加载区的范围。根据需要选择40mm×60mm规格或长宽比更大的条形硬度块，且满足工作面表面积不小于2400mm2，以便校准区域的位置调整和固定，保障检测数据的有效性。
支撑底座设计
根据磁力式硬度计的结构和试验原理，设计加工钢材支撑底座，其结构如图3所示。
图3 支撑底座结构示意图
支撑底座分为固定区和加载区，固定区为硬度计磁力吸盘吸附的位置，参考市场上大部分磁力式硬度计的尺寸规格，建议c不小于60mm，f不小于60mm。加载区为硬度计主轴位置，校准硬度计的标准器一般为标准硬度块，根据检定规程要求，建议b不小于50mm，e不小于6mm，在同时满足加载区有效放置标准硬度块并且固定区可以稳定吸附的条件下，为了方便携带和安装，可以尽量降低a和d，建议a不大于300mm，d不大于100mm。
校准方法
首先通过观察和实际操作确定加力机构和升降机构可以正常工作，指示装置刻度标记清晰正确且易于读取。然后对于洛氏硬度，根据不同标尺选择合适的压头和试验力，硬度块和压头相接触时应缓慢平稳，以免损坏压头。主试验力施加时间为1~8s，总试验力保持时间为(4±2)s，主试验力在2~8s内平稳卸除。在标准块的工作面上测定6点，第1点不计，其余5点均匀分布，并取平均值。最后进行数据处理，其平均值与标准块硬度值之差，即为硬度计的示值误差，5点硬度值中最大值与最小值之差为示值重复性。对于布氏硬度，可根据不同的要求选择合适的试验力和压头，加载时间和数据处理方法按照GB/T 231.1-2018规定进行，5个测量点的硬度平均值与标准块硬度值之差除以标准块硬度值即为示值误差，5点硬度值中最大值和最小值之差与标准块硬度值的比值为示值重复性
磁力式硬度计的不确定度评定实例
根据磁力式硬度计的计量特性，给出利用磁力式硬度计测量洛氏硬度HRC标尺(高值)结果的不确定度评定实例。
数学模型
数学模型公式如下
ΔH＝Hm-Hb(1)
式中：ΔH为硬度计的示值误差；Hm为硬度块的标准值；Hb为硬度计示值的算术平均值。
不确定度传播律
输入量Hm和Hb彼此独立不相关，则有
Hm的灵敏度系数c1=1；Hb的灵敏度系数c2=-1。
输入量Hm的标准不确定度u(Hm)的评定
输入量Hm的标准不确定度u(Hm)来源主要由两部分组成，即硬度计的示值重复性引起的标准不确定度u(Hm1)、硬度计的分辨力引起的标准不确定度u(Hm2)。
u(Hm1)的评定
硬度计的示值重复性主要来源于标准硬度计和标准硬度块的均匀度。硬度计示值是在标准硬度块上不同区域测得的结果，其测量的特殊性是同一点不可能重复测试，所以硬度计示值的重复性已经包含了标准硬度块均匀度对其示值的影响。通过连续测量得到一组测量列，采用A类评定方法进行评定。在一块硬度值为64.3HRC的标准硬度块上选取5个点进行硬度测量，其结果的平均值和试验标准差见表1。
表1 测量结果的平均值和试验标准差HRC
已知测量点数n为5，每个硬度块在重复条件下连续测量5次，5点硬度平均值的标准不确定度可按照下式计算
u(Hm2)的评定
硬度计示值读数鼓轮的分度值为1HRC，分辨力导致的示值误差限为±0.5HRC，由于被测量可能值出现在这一个分散区间内任一点的概率相等，其变化服从矩形分布，采用B类不确定度评定，其不确定度按照下式计算
输入量Hb的标准不确定度u(Hb)的评定
不确定度u(Hb)由定值证书和经验给出，采用B类评定方法进行评定。硬度值为64.3HRC的标准洛氏硬度块，校准证书给出其扩展不确定度为0.3HRC，包含因子k＝2，则有
u(Hb)＝0.3/2＝0.15HRC (5)
硬度计的合成标准不确定度
已知各标准不确定度分量，根据不确定度传播律，得到合成标准不确定度，见表2。
表2 不确定度分量及合成标准不确定度HRC
扩展不确定度的评定
取包含因子k＝2，洛氏硬度(HRC高值)测量结果的扩展不确定度U为
U＝k·uc(ΔH)＝2×0.37≈0.8HRC (6)
由于标准硬度块均匀稳定，所以实验室最佳测量能力和实验室一般测量能力的不确定度基本一致，其他洛氏硬度标尺不确定度评定方法与此相同。布氏硬度示值误差的不确定度评定可以参考以上方法，计算其相对扩展不确定度。
结论
通过对磁力吸盘工作原理的分析，给出了磁力式硬度计支撑底座的结构设计方案；选择40mm×60mm规格或长宽比更大的条形标准硬度块作为校准器进行检测，按照洛氏硬度和布氏硬度相对应的校准方法，便于实现磁力式硬度计的实验室校准；通过磁力式硬度计测得的数据，对其洛氏硬度高值测量结果进行不确定度的评定，可确保磁力式硬度计测量结果的准确可靠。
来源：蒋帆理化检验
