里氏硬度計在熱處理現場的應用及校準補償

肖 健, 孫 盼

(滬東重機有限公司, 上海 200129)

金屬材料在熱處理后通常采用洛氏硬度計、布氏硬度計或里氏硬度計進行現場硬度檢測，再參照GB/T 1172-1999《黑色金屬硬度及強度換算值》換算得到的強度判斷其力學性能是否達標，預判合格后再進行取樣、加工，并檢測其各項力學性能指標，以提高金屬材料力學性能檢測的一次合格率[1-3]。因此熱處理現場高效、準確的硬度檢測方法可縮短產品生產周期和確保產品質量。里氏硬度計是現場硬度檢測的首選設備，其操作簡單、檢測效率高，對于幾何尺寸復雜的工件，也能較容易地進行檢測。對于大中型及重型零部件，在洛氏硬度計、布氏硬度計無法檢測硬度的情況下，里氏硬度計也可替代其進行檢測，彌補檢測現場的條件不合適、環境不理想等問題[4-10]。

但目前沒有將里氏硬度換算成其他硬度的精準且普遍適用的方法，除非通過對比試驗得到相關的換算依據，否則應盡量避免里氏硬度換算。因此筆者認為對里氏硬度計檢測結果進行換算前，都必須進行一次里氏硬度計校準，用獲取的補償值修正偏差，從而提高里氏硬度換算值的參考價值。筆者闡述了里氏硬度計的檢測原理及操作方法，重點討論了里氏硬度計的應用要領及校準補償，以期提高里氏硬度計現場檢測的準確性，使其能夠更廣泛地應用到各類現場檢測中。

1 檢測原理及注意事項

1.1 檢測原理

里氏硬度試驗是一種動態試驗法，采用彈性沖擊原理來得到硬度。但由于大多數操作者對其動態試驗方法的試驗條件認識不足，存在操作不嚴格或操作不當等問題，導致里氏硬度計應用的過程中產生檢測誤差。

里氏硬度的概念是由Leeb博士提出來的，其是用規定質量的沖擊體在彈力作用下，以一定速度沖擊試樣表面，用球頭在距試樣表面1 mm處的回彈速度與沖擊速度的比值乘以1 000，定義為里氏硬度。計算公式為

(1)

式中：HL為里氏硬度；vR為沖擊體回彈速度，m·s-1；vA為沖擊體沖擊速度，m·s-1。

1.2 注意事項

使用里氏硬度計檢測時應盡可能地避免各種外界干擾，需注意被測材料的牌號、質量、厚度、表面粗糙度等，以及里氏硬度計的沖擊裝置選用、試驗方法，從而減少應用不當造成的檢測誤差。

1.2.1 材料選項

里氏硬度計通常都具備材料選項功能，使用前必須調至被測物相應的材料選項，材料選項是按彈性模量E劃分的，選項的參數將直接影響檢測結果的準確性。不同彈性模量對應材料選項見表1。

表1 不同彈性模量對應的材料選項Tab.1 Material options for different elastic modulus

表1中相同的彈性模量采用不同材料選項，是因為表中的E是材料宏觀、靜態的彈性模量，由于金屬中的合金元素及各種化合物在冶金和熱處理過程中會形成多相、彌散、高彈性模量的微觀組織，使材料的動態力學性能發生變化，會使對彈性模量很敏感的里氏硬度發生變化，而不同于基體材料的里氏硬度。通常高合金含量材料會有較高的彈性模量，因此相同彈性模量的鋼材中能夠劃分出合金含量從低到高的2～3種選項。

1.2.2 沖擊裝置的選用

為適用于各種現場環境檢測，里氏硬度計的沖擊裝置型號較多，不同型號具有不同用途，全部型號包括：D型、DC型、S型、E型、D+15型、DL型、C型、G型。其中D型沖擊裝置屬于通用型，通常作為標準配置，用于普通金屬樣品的硬度檢測；DC型沖擊裝置短小，采用特殊的加力環，其他參數與D型沖擊裝置幾乎一致，應用于較小空間的硬度檢測，如孔內、圓柱筒內等；G型沖擊裝置球頭直徑較大，其沖擊能量較高，對被測物表面質量要求較寬泛，適用于表面較粗糙的零件及大型鑄件和鍛件的硬度檢測；C型沖擊裝置較短，沖擊能量約為D型裝置的1/4，適用于表面硬化層、薄層及質量較小的被測物檢測。常用的4種沖擊裝置技術參數見表2。

表2 常用沖擊裝置技術參數Tab.2 Technical parameters of commonly used impact devices

1.2.3 檢測過程

沖擊體與被測物碰撞過程中，未作特殊穩定處理的小質量試樣會在沖擊力的作用下向沖擊方向瞬間加速移動，當碰撞結束后，沖擊體的回彈動能及速度會減小，最終導致硬度示值小于標準硬度示值。所以被測物質量無法滿足沖擊試驗檢測條件的最低要求時需耦合,如在試樣表面和重的支撐物之間施加黏性薄膜。

里氏硬度試驗對被測物厚度要求不僅不能被打穿，還要防止被測物在受到沖擊力時發生彈性或塑性變形的現象發生，所以厚度必須滿足各種沖擊裝置的相關檢測條件。

里氏硬度試驗對被測物表面粗糙度有一定要求，表面粗糙的試樣會導致檢測示值偏低，高硬度的試樣更明顯。通用型(D型)沖擊裝置對被測試樣表面粗糙度Ra要求為小于2.0 μm。

與其他各種硬度試驗方法對壓痕間距、壓痕邊距都有一定要求一樣，里氏硬度試驗對壓痕間距也有相應的要求。因一個硬度壓痕及其周圍一定區域內的材料會發生冷作硬化，新壓痕及其應力區應離開前者區域，否則硬度會偏高。由于壓痕應力影響區的原因，當壓痕中心距被測物邊緣過近時，硬度會偏低。

里氏硬度檢測中試驗力應盡量保證垂直于被測物表面，如不能垂直，沖擊體與試樣碰撞后得到的回彈力的方向將偏離沖擊體回彈方向，其回彈速度將小于應有的速度，硬度會偏低。垂直度越差，偏低越明顯。

還需注意凹凸圓柱面及球面的試樣表面曲率半徑對檢測結果的影響，以及檢測表面硬化層的硬度時應注意硬化層的有效厚度。

綜合上述事項，根據GB/T 17394.1-2014《金屬材料 里氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》的技術要求，將相關應用要求匯總于表3。

表3 里氏硬度檢測相關要求Tab.3 Leeb hardness test relevant requirements

1.3 檢測結果

根據GB/T 17394.1-2014的要求,里氏硬度試驗應至少進行3次，并計算其算數平均值。如果硬度相差超過20 HL，應增加試驗次數，并計算算術平均值。

沒有將里氏硬度檢測結果換算成其他硬度的精準且普遍適用的方法，除非通過對比試驗得到相關的換算依據，否則應盡量避免里氏硬度換算。當必須進行換算時，對于常用金屬材料可參照GB/T 17394.4-2014進行換算。

在里氏硬度符號前示出硬度數值，在后面示出沖擊裝置類型，如600 HLD。對于里氏硬度換算其他硬度的標識，GB/T 17394.1-2014中沒有明確規定，通常在里氏硬度符號之前給出相應的硬度符號，如600 HBHLD。

2 里氏硬度計的校準

2.1 校準條件

被校準材料必須取自試樣基體或熱處理條件相同的同牌號試樣，試樣需加工成φ100 mm、厚度55 mm的圓形樣塊。校準面與支撐面需保證平行度不大于0.1 mm，校準面Ra不大于0.8 mm；支撐面Ra不大于1.6 mm。G型硬度計校準試樣質量需大于15 kg。

2.2 校準方法

按GB/T 17394.4-2014的技術要求進行里氏硬度檢測，取15個點的算數平均值作為里氏硬度計最終檢測值用于校準，根據實際情況可減少檢測點。以相關洛氏、布氏、維氏等硬度標尺的標準試驗方法進行被校準物檢測，并至少檢測4點，去掉第一點的值后，取算數平均值為最終檢測值。計算兩次檢測結果算數平均值之間的偏差可得到補償值，即補償值(偏差值)等于標準硬度算數平均值減去里氏硬度算數平均值。

2.3 校準結果

筆者將從事現場檢測遇到的材料校準匯總于表4，包括灰口鑄鐵、球墨鑄鐵、高頻淬火件等檢測結果的對比。

將表4檢測結果的算數平均值按該文3.2節校準方法進行計算，得到以下材料牌號換算時的補償值，見表5，并注明了校準材料基體的硬度范圍，以提高參考價值。

表4 不同材料硬度檢測結果及換算值對比Tab.4 Comparison of hardness test results and conversionvalues of different materials

表5 不同材料的里氏硬度換算補償值Tab.5 Leeb hardness conversion compensationvalues of different materials

3 分析與討論

GB/T 17394.1-2014中沒有規定表面硬化層的硬度檢測方法，建議在使用里氏硬度計檢測表面硬化層硬度時注意有效硬化深度，采用D型、DC型沖擊裝置時，有效硬化深度不小于0.80 mm，采用C型沖擊裝置時有效硬化深度不小于0.20 mm，但其檢測結果只能作為參考，僅限用于產品質量的快速檢驗，而非標準檢測方法。

GB/T 17394.1-2014中規定在里氏硬度符號前示出硬度數值，在后面示出沖擊裝置類型。但對于用里氏硬度換算其他硬度符號的標識，GB/T 17394.1-2014中沒有明確規定，筆者認為在里氏硬度符號之前給出相應的硬度符號較為合適,如300 HVHLD，400 HBHLD，500 HRCHLD,以區分硬度為里氏硬度轉換值。

相關標準方法中涉及硬度計的應用較少，特別是被測物材料選項的設置未具體說明，只是在GB/T 17394.4-2014中標明了相關材料的彈性模量，而在里氏硬度計的使用中，此選項環節是非常重要的，會影響檢測結果的準確性，建議相關標準增加該步驟，以避免初學者的疏忽影響檢測結果的準確性。

當里氏硬度必須進行換算時，對于常用金屬材料可參照相關標準GB/T 17394.4-2014，但沒有普遍適用的精準方法將里氏硬度換算成其他硬度，除非通過對比試驗得到相關的換算依據。因相同彈性模量的材料，存在微觀組織、合金含量、力學性能等不同的情況，對材料本身彈性模量具有一定影響，也會影響里氏硬度檢測結果的準確性。因此筆者認為，里氏硬度計在檢測值換算前都必須進行一次校準對比，以得到補償值修正換算結果，從而提高換算結果的準確性。

4 結論

使用里氏硬度計檢測時應注意被測材料的牌號、質量、硬度、厚度、表面粗糙度等，采用合適的沖擊裝置和試驗方法，避免因試驗條件不合適或操作不當而造成檢測誤差。在熱處理現場檢測條件不合適、環境不理想的情況下，可通過計算校準偏差(即補償值)來提高換算結果的準確性。建議里氏硬度計在檢測值換算前應進行一次校準對比，以得到補償修正換算結果，從而提高換算結果的準確性。