里氏硬度計在現(xiàn)場檢驗中測量誤差及分析

◎吳陸軍 王恒 周傳健

現(xiàn)場檢驗使用的里式硬度計只有一支筆那么大，檢驗人員可以在檢驗現(xiàn)場手持硬度計，直接在各個方向測試工件的硬度。測量方法簡單，而且壓痕小，攜帶方便，不受空間和方位的限制。里式硬度計在承壓特種設備的現(xiàn)場檢驗中作用非常巨大。

一、里式硬度計的工作原理

在1978 年，瑞士的Leeb 博士利用了單片技術發(fā)明出一種新的硬度測試方法。其基本原理是利用具有一定質(zhì)量的沖擊體在一定的測試力下沖擊工件表面，測量沖擊體在距離工件表面1 mm 處的沖擊速度和回彈速度，再由電磁原理感應出與速度成正比的電壓，通過如下公式計算出里式硬度的大小：

式中：HL-里氏硬度值；vR-沖擊體回彈速度；vA-沖擊體沖擊速度。

再通過硬度計微電腦將HL 可以換算成HB、HRB、HRC、HV 等。

二、里式硬度計的測量誤差及如何避免

1.里氏硬度計本身產(chǎn)生系統(tǒng)誤差。在現(xiàn)場檢驗時，因為硬度計沖頭的發(fā)出沖擊能量是一定的，被測工件的表面在受到硬度計沖頭的沖擊時，發(fā)生的形變是塑性變形還是彈性變形對測試結果會的影響是不一樣的。如果工件的塑性變形大，彈性變形小，沖頭回彈的速度就會變小。另一方面，如果硬度計的沖頭硬度不夠，當沖頭撞擊工件時，不僅工件會發(fā)生塑性變形，沖頭本身也會發(fā)生塑性變形，這也導致沖頭的回彈速度變小，使得硬度計測得的硬度值過低。如果沖頭的直徑太小，當沖頭撞擊工件時，將導致工件的塑性變形變大，消耗更多的沖頭能力，因此測量的數(shù)值變小。由于vA 的能量是通過彈簧來實現(xiàn)的，若彈簧的彈力變大，沖擊的次數(shù)太大，彈簧的彈力不足等，都會導致沖頭撞擊工件時工件表面的塑性變形發(fā)生相應變化，造成測量結果的不準確，出現(xiàn)測量誤差。

2.硬度計沖頭的沖擊方向。里式硬度計在垂直向下的方向上測量時，會具有最大的沖擊能量，測得的數(shù)值就相對準確。如果沖擊方向不是垂直向下，沖頭的重力和摩擦均會導致沖頭的沖擊和回彈速度會發(fā)生變化，從而影響vR 和vA 的比值，即測量值就會存在誤差，因此測量前需要在硬度計上調(diào)整修正方向。在檢驗時測量方向最好選擇垂直向下但是，現(xiàn)場檢驗可能需要在被測工件上的很多方向上進行測量，若在測量前忘記調(diào)整硬度計的沖擊方向，直接進行測量，就會造成測量誤差。

3.被測工件表面的清潔度。在現(xiàn)場檢驗時，若被測工件表面有油污存在，直接測量的話會導致測量數(shù)值偏低。這是由于硬度計沖頭在空氣介質(zhì)和油污介質(zhì)中的摩擦力不一樣，油污介質(zhì)會導致沖擊能量損失更大，從而使得沖頭的回彈速度降低，使測量數(shù)值比實際數(shù)值低。同時，被檢工件表面的銹層和防腐層與工件本體的密度和硬度不同，它對沖頭有一定的緩沖作用，也會使沖頭能量損失，造成測量誤差。因此，在現(xiàn)場測量硬度之前，必須先將工件表面的油污擦掉，并且打磨掉氧化層和防腐層，顯露工件本體的金屬光澤。但是打磨過程中會使部分氧化層和防腐層以粉塵的形式擴散在工件周圍的空氣中。一些粉塵落在被測工件表面上，測量時會粘附在沖頭上進入硬度計導管，使得沖頭摩擦力增大，造成測量誤差。粘附的灰塵還會導致沖頭的磨損加快，減少了硬度計的使用壽命。因此，在檢驗時，必須先把被測工件表面擦拭干凈。

4.被測工件表面的粗糙度。里式硬度是測試硬度計沖頭的沖擊速度和回彈速度的動態(tài)物理量。工件表面的粗糙度對硬度的影響是通過改變沖頭的回彈方向，影響了回彈速度，從而影響硬度值，特別是粗糙度較大的時候影響更明顯。另一方面，它還通過對沖頭的能量吸收來反映，不同粗糙度造成的能量損失是不同的。若工件的表面不平整，當沖頭落在工件表面時，凸起的部位會發(fā)生變形，沖頭的沖擊能量被吸收。工件表面粗糙度越大，表面越不平整，沖頭能量損失就越多，測得的硬度值就會偏小。相反，工件表面的粗糙度越小，沖頭能量損失也越小。當然，無論粗糙度大或者小，測得的硬度數(shù)值都是偏低的。

5.測量點的間距。在現(xiàn)場檢驗過程中，每次測量都會在被測工件表面形成一個壓痕，壓痕形成后，壓痕周圍會形成相應的“冷作硬化”，從而增加了該區(qū)域的硬度值，因此如果在這個區(qū)域接著測量硬度，就會導致硬度偏高，所以下一個硬度測試點要在這個區(qū)域之外。因為里式硬度計不能進行壓痕中心定位，所以壓痕的間距通常需要由檢驗人員目測控制。當壓痕太靠近被測工件邊緣時，在靠近工件邊緣的那部分壓痕會發(fā)生變形，會阻礙沖頭的回彈過程，從而降低了沖頭的有效回彈速度vR，使測量數(shù)值偏小。

6.被測工件的厚度。在測量厚工件的硬度時，較大的厚度對里式硬度計的測量影響很小。然而，測量薄管工件時，由于厚度很小的工件的剛度會降低，在測量時很容易吸收沖頭的沖擊能量而產(chǎn)生彈性變形、塑性變形或振動，降低了沖頭的回彈速度，導致測量數(shù)值偏低，有的甚至無法測試。但是，有時受現(xiàn)場試驗條件的限制，工件的厚度不能滿足要求，也不能使用其他測量方法。只能通過對比試驗來分析同種材料的厚度變化與硬度值之間的關系，以便對薄壁工件的硬度值進行修正，以確保測量數(shù)值盡可能準確。

7.被測工件不規(guī)則性。在現(xiàn)場檢驗過程中，通常需要抽查被測工件上部分焊接接頭的焊縫、熱影響區(qū)和母材處的硬度。但是很多焊縫高且窄，還是弧形曲面，使用硬度計測量時，硬度計的支撐環(huán)無法緊密、穩(wěn)定地貼臨被測工件表面，從而影響了測試值的準確性。如果條件允許，可以打磨被測焊縫的表面，使其表面變得平坦光滑，從而容易進行硬度檢驗。當測量焊縫的熱影響區(qū)硬度時，若被測工件焊縫兩側(cè)的熱影響區(qū)向內(nèi)凹陷，將加大沖頭和被測工件之間的距離，從而降低了沖頭的回彈速度，導致測試數(shù)值偏小。所以檢驗時應該選擇焊縫成形性較好的部位進行硬度測量。

8.里式硬度計系統(tǒng)的穩(wěn)定性。使用里式硬度計時，應該保證里式硬度計系統(tǒng)盡可能不受各種外界干擾，從而保證測量的穩(wěn)定性。硬度計的穩(wěn)定性包括環(huán)境、工件、沖擊裝置和操作過程等方面。穩(wěn)定程度越高，測量的數(shù)值越精確。環(huán)境穩(wěn)定性是指工件放置的場所不得有振動，但是檢驗時很難保證其穩(wěn)定性。在穩(wěn)定的環(huán)境中工件本身應保持穩(wěn)定，不得有滑移、轉(zhuǎn)動和擺動等位移上的變化。里式硬度計的沖擊裝置在被測工件上應穩(wěn)定地放置，不應有相對晃動。沖擊裝置的端面要保證和被測工件表面緊密接觸，這就要求檢驗人員在檢驗時抓住沖擊裝置的手要保持穩(wěn)定，并向測試方向用力，這樣沖擊裝置才能牢牢地壓在工件上，此時檢驗人員的身體也應保持穩(wěn)定。

三、結語

影響里式硬度計測量誤差的因素很多，不但有硬度計本身系統(tǒng)誤差，還有人員操作誤差和環(huán)境造成的誤差。為了保證檢驗時硬度測量的數(shù)值準確性，必須注意硬度計自身的影響，確保儀器是檢定合格的，且在有效期之內(nèi)。現(xiàn)場檢驗前，要先將硬度計在自帶的試塊上進行校準，還應定期檢查里式硬度計的結構部件有無發(fā)生變化。若有變化，應及時修理或更換。在檢驗過程中，檢驗人員應不斷學習標準，積累實操經(jīng)驗，提高操作技能，盡可能避免產(chǎn)生測量誤差，測量出被測工件硬度最準確的數(shù)值。