洛氏硬度計(jì)計(jì)量建標(biāo)方案探討

魏居鋒，張旭敏，劉克先

（深圳中航技術(shù)檢測(cè)所，廣東深圳518040）

洛氏硬度計(jì)計(jì)量建標(biāo)方案探討

魏居鋒，張旭敏，劉克先

（深圳中航技術(shù)檢測(cè)所，廣東深圳518040）

依據(jù)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核的要求，通過(guò)對(duì)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的工作原理，不確定度的評(píng)定及進(jìn)行重復(fù)性、穩(wěn)定性指標(biāo)和不確定度的驗(yàn)證考核，建立洛氏硬度計(jì)符合量值傳遞的標(biāo)準(zhǔn)器組。

硬度計(jì)、洛氏硬度計(jì)、硬度

1 建立計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的目的

定[4]。標(biāo)準(zhǔn)配置如表1.

為了檢定或校準(zhǔn)國(guó)防科技工業(yè)、各有關(guān)單位應(yīng)用廣泛的洛氏硬度計(jì)，保證量值準(zhǔn)確一致，需建立洛氏硬度計(jì)檢定裝置，給出硬度值，用于金屬洛氏A、B、C標(biāo)尺檢定或校準(zhǔn)，從而保證科研、生產(chǎn)中相應(yīng)的硬度值測(cè)量，合法開(kāi)展洛氏硬度計(jì)的檢定或校準(zhǔn)工作[1，2]。

2 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的工作原理及組

2.1 工作原理

根據(jù)國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程JJG112-2013《金屬洛氏硬度計(jì)》，使用中的洛氏硬度計(jì)主要是校準(zhǔn)洛氏硬度計(jì)的示值誤差，當(dāng)洛氏硬度計(jì)的示值超差時(shí)，才進(jìn)行試驗(yàn)力、壓頭和測(cè)深機(jī)構(gòu)等項(xiàng)目的檢定。所以示值是洛氏硬度計(jì)使用和校準(zhǔn)的最主要技術(shù)指標(biāo)。洛氏硬度計(jì)的示值誤差是用標(biāo)準(zhǔn)洛氏硬度塊進(jìn)行校準(zhǔn)的，而標(biāo)準(zhǔn)洛氏硬度塊必須符合JJG113-1991《標(biāo)準(zhǔn)金屬洛氏硬度塊》的要求[4，5]。

2.2 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)組成

標(biāo)準(zhǔn)洛氏硬度塊A B C標(biāo)尺。

3 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器及主要配套設(shè)備

計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器及配套設(shè)備的配置應(yīng)當(dāng)科學(xué)合理，完整齊全，并能滿(mǎn)足開(kāi)展檢定或校準(zhǔn)工作的需要。計(jì)量特性必須符合相應(yīng)計(jì)量檢定規(guī)程或技術(shù)規(guī)范的規(guī)

表1 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器及主要配套設(shè)備

4 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的主要技術(shù)指標(biāo)

標(biāo)準(zhǔn)硬度塊：

4.1 測(cè)量范圍：

標(biāo)準(zhǔn)洛氏硬度塊A B C標(biāo)尺。

4.2 準(zhǔn)確度等級(jí)：

金屬洛氏硬度塊（0.38～0.7）HR

5 環(huán)境條件

環(huán)境條件及設(shè)施應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足開(kāi)展檢定或校準(zhǔn)工作的要求，并按要求對(duì)環(huán)境條件進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)和控制；JJG112-2013《金屬洛氏硬度計(jì)檢定規(guī)程》6.1.1要求[3]：硬度計(jì)應(yīng)在（23±5）℃環(huán)境條件下進(jìn)行檢定。在此溫度范圍之外進(jìn)行檢定是，不應(yīng)定于10℃、高于35℃；因此按實(shí)際情況本項(xiàng)目環(huán)境條件要求與實(shí)際情況如表2.

表2 環(huán)境條件

6 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的量值溯源和傳遞框圖

JJF1033-2008《計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范》4.1.2計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的溯源性要求：為了保證計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的溯源性，計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的量值應(yīng)當(dāng)定期溯源至國(guó)家計(jì)量基準(zhǔn)或社會(huì)公用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)不能采用檢定或校準(zhǔn)方式溯源時(shí)，應(yīng)當(dāng)通過(guò)比對(duì)的方式，確保計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)量值的一致性[1]。量值溯源和傳遞框圖如圖1.

圖1 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的量值溯源和傳遞框圖

7 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的重復(fù)性試驗(yàn)

在94.5HRBW處用洛氏硬度計(jì)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)洛氏硬度塊進(jìn)行10次連續(xù)測(cè)量，記錄硬度計(jì)示值（HRBW）[1]，如表3：重復(fù)測(cè)量10次，則

表3 測(cè)量重復(fù)性數(shù)據(jù)/HR

根據(jù)貝塞爾公式得出實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差

得到的重復(fù)性不確定度為0.107 HRBW，符合JJF1033-2008《計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范》關(guān)于重復(fù)性試驗(yàn)的要求。

8 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性試驗(yàn)

在94.5 HRBW處用金屬洛氏硬度計(jì)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)洛氏硬度塊進(jìn)行10次連續(xù)測(cè)量，記錄硬度計(jì)示值。每隔一定時(shí)間進(jìn)行一組測(cè)量共進(jìn)行4組測(cè)量，所得結(jié)果經(jīng)計(jì)算后即為洛氏硬度計(jì)檢定裝置的測(cè)量穩(wěn)定性[1]。檢測(cè)結(jié)果如表4.

表4 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定性考核測(cè)量結(jié)果/HR

9 校準(zhǔn)結(jié)果的測(cè)量不確定度評(píng)定

9.1 適用范圍

適用于金屬洛氏硬度計(jì)的檢定或校準(zhǔn)不確定度分析。

9.2 引用標(biāo)準(zhǔn)/文件

JJF 1059.1-2012測(cè)量不確定度評(píng)定與表示

9.3 測(cè)量方法及原理簡(jiǎn)述

（1）根據(jù)國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程JJG112-2013《金屬洛氏硬度計(jì)》，使用中的洛氏硬度計(jì)主要是校準(zhǔn)洛氏硬度計(jì)的示值誤差，當(dāng)洛氏硬度計(jì)的示值超差時(shí)，才進(jìn)行試驗(yàn)力、壓頭和測(cè)深機(jī)構(gòu)等項(xiàng)目的檢定。所以示值是洛氏硬度計(jì)使用和校準(zhǔn)的最主要技術(shù)指標(biāo)。洛氏硬度計(jì)的示值誤差是用標(biāo)準(zhǔn)洛氏硬度塊進(jìn)行校準(zhǔn)的，而標(biāo)準(zhǔn)洛氏硬度塊必須符合JJG113-1991《標(biāo)準(zhǔn)金屬洛氏硬度塊》的要求[4，5]。

下面分析洛氏硬度計(jì)C標(biāo)尺示值誤差檢定的測(cè)量結(jié)果不確定度，所用的標(biāo)準(zhǔn)硬度塊包括低、中和高三塊，硬度范圍分別為20～30 HRC，35～55 HRC和60～70 HRC.被檢硬度計(jì)為表盤(pán)式金屬洛氏硬度計(jì)。

（2）數(shù)學(xué)模型

式中：e為洛氏硬度計(jì)的示值誤差；Hm為洛氏硬度計(jì)示值的算術(shù)平均值；Hb為標(biāo)準(zhǔn)硬度塊的硬度值。

（3）方差和傳播系數(shù)

由上式可得：

“我爺爺”是土匪也是英雄，他曾經(jīng)殺人越貨、落草為寇，也能以寡敵眾將日本鬼子打得屁滾尿流，在莫言筆下他是抗日戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期眾多草莽英雄的化身。“我奶奶”一生追求自由，敢愛(ài)敢恨，她不顧封建禮教的束縛，是那個(gè)時(shí)代女性反抗封建制度的代表。莫言通過(guò)對(duì)這些形象的書(shū)寫(xiě)，以小見(jiàn)大，表現(xiàn)了那個(gè)年代中華民族頑強(qiáng)旺盛、不肯屈服的生命張力，并通過(guò)先輩與我輩的對(duì)比哀嘆種的退化，從而深入反思了民族精神的何去何從，希望借此重建屬于民族的精神家園。他巧妙地將中國(guó)這個(gè)大舞臺(tái)濃縮為高密東北鄉(xiāng)這個(gè)小舞臺(tái)，成功地使鄉(xiāng)土情結(jié)升華到了民族情結(jié)的高度。

uc2(e)=c12·u12+c22·u12

式中：c1=?e/?Hm=1；

u1，u2分別表示Hm，hb的不確定度。

uc2(e)=u12+u22

9.4 計(jì)算分量標(biāo)準(zhǔn)不確定度

（1）硬度計(jì)示值給出的不確定度分量u1

1）示值變動(dòng)性估算的不確定度分量0.2%；

擴(kuò)展不確定度，取覆蓋因子k=2，得：

依據(jù)規(guī)程，HRC硬度的示值誤差主要是硬度計(jì)的測(cè)量重復(fù)性所引起的，其來(lái)源于硬度計(jì)本身測(cè)量的重復(fù)性和標(biāo)準(zhǔn)硬度塊的均勻性?xún)蓚€(gè)因素，由于硬度計(jì)示值是硬度計(jì)在標(biāo)準(zhǔn)塊上的不同區(qū)域測(cè)得的結(jié)果，其測(cè)量的特殊性是同一點(diǎn)不可能重復(fù)測(cè)量，所以硬度計(jì)示值重復(fù)性已包含了標(biāo)準(zhǔn)硬度塊均勻度對(duì)其示值的影響，采用A類(lèi)方法進(jìn)行評(píng)定。

在一臺(tái)硬度計(jì)上，用一塊標(biāo)準(zhǔn)塊為60.5的洛氏硬度塊進(jìn)行10次測(cè)量，得到一測(cè)量列為60.5，60.7，60.3，60.5，60.4，60.7，60.6，60.4，60.7，60.5 HRC

其示值算術(shù)平均值和單次實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差按下式計(jì)算：

測(cè)量結(jié)果為5次的平均值，得：

用同樣方法測(cè)得低硬度范圍重復(fù)性不確定度為

2）硬度計(jì)示值估讀誤差引起的不確定度分量

硬度計(jì)示值檢定過(guò)程，卸去初試驗(yàn)力讀取硬度值，一般估讀誤差為±0.1HRC，該誤差為均勻分布，得：

（2）標(biāo)準(zhǔn)硬度塊的不確定度分量

1）定度標(biāo)準(zhǔn)硬度塊的標(biāo)準(zhǔn)硬度計(jì)引起的不確定度分量

標(biāo)準(zhǔn)金屬洛氏硬度塊是采用標(biāo)準(zhǔn)洛氏硬度計(jì)定度的，根據(jù)JJG 113—2003《標(biāo)準(zhǔn)金屬洛氏硬度塊》，標(biāo)準(zhǔn)洛氏硬度計(jì)的不確定度由定值證書(shū)給出，采用B類(lèi)方法進(jìn)行評(píng)定。標(biāo)準(zhǔn)洛氏硬度計(jì)檢定證書(shū)給出的其擴(kuò)展不確定度不大于0.3 HR，包含因子k=3，得：

u3=a/k=0.3/3=0.1 HRC

2）標(biāo)準(zhǔn)硬度塊穩(wěn)定度引起的不確定度分量

根據(jù)JJG 113—2003《標(biāo)準(zhǔn)金屬洛氏硬度塊》，標(biāo)準(zhǔn)金屬洛氏硬度塊在檢定周期的穩(wěn)定度，在低硬度范圍，不超出±0.6 HRC，中硬度和高硬度穩(wěn)定度為± 0.4 HRC.其穩(wěn)定度變化服從均勻分布.

9.5 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

低硬度范圍：

中、高硬度范圍：

9.6 擴(kuò)展不確定度：

取包含因子k=2，得：

低硬度范圍：U=ku c=2×0.38=0.76 HRC

中硬度范圍：U=0.54 HRC

高硬度范圍：U=0.54 HRC

10 檢定或校準(zhǔn)結(jié)果的驗(yàn)證

選擇一穩(wěn)定的金屬洛氏硬度計(jì)，經(jīng)自檢測(cè)一組數(shù)據(jù)后，送上級(jí)法定計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)測(cè)得一組數(shù)據(jù)，檢定結(jié)果合格[1]，比對(duì)數(shù)值如表5.

表5 比對(duì)數(shù)值表/HR

根據(jù)JJF1033-2008附錄C中C.2.2.3中式

所建立洛氏硬度計(jì)檢定裝置檢定/校準(zhǔn)結(jié)果是符合要求的[1]。

11 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)分析與驗(yàn)證表明，洛氏硬度計(jì)檢定裝置滿(mǎn)足國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程JJG112-2013《金屬洛氏硬度計(jì)》的要求，可以開(kāi)展對(duì)洛氏硬度計(jì)的檢定或校準(zhǔn)[1，4，5]。

[1]JJF1033-2008計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范[S]，北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2008.

[2]JJF1001-1998通用計(jì)量術(shù)語(yǔ)及定義[S]，北京：中國(guó)計(jì)量出版社，1998.

[3]JJF1059.1-2012測(cè)量不確定度評(píng)定與表示[S]，北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2012.

[4]JJG112-2013金屬洛氏硬度計(jì)檢定規(guī)程[S]，北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2013.

[5]JJG113-1991標(biāo)準(zhǔn)金屬洛氏硬度塊[S]，北京：中國(guó)計(jì)量出版社，1991.

Discussion on the Measurement and Calibration of Rockwell Hardness Tester

WEI Ju-feng1，ZHANG Xu-min2，LIU Ke-xian3
（Shenzhen Metrology&Measurement Institute of AVIC.，Shenzhen Guangdong 518040，China）

According to the requirements of the measurement standard，to set up the measurement and calibration of rockwell Hardness tester through analyzing the working principle of the measurement standard，the repeatability，the stability index and the verification of the uncertainty.

hardness tester；rockwell hardness tester；hardness

TH871.5

B < class="emphasis_bold">文章編號(hào)：1

1672-545X（2017）05-0274-03

2017-02-24

魏居鋒（1967-），男，山東人，碩士，高級(jí)工程師，從事計(jì)量檢定、校準(zhǔn)測(cè)試工作；張旭敏（1964-），男，廣西人，碩士，高級(jí)工程師，從事機(jī)電工程、檢測(cè)測(cè)試工作；劉克先（1967-），男，湖南人，學(xué)士，高級(jí)工程師，從事計(jì)量檢定、校準(zhǔn)測(cè)試工作。