里氏硬度计测量技术应用

    里氏硬度测试技术是国际上继布、洛、维、肖氏硬度之后新发展的一种技术，依据里氏硬度理论制造的里氏硬度仪改变了传统的硬度测试方法。由于硬度传感器小如一只笔，可以手握传感器在生产现场直接对工件进行各种方向的硬度检测，因此是其它台式硬度仪所难以胜任的。自里氏硬度仪诞生以来，在国际上的普及程度越来越广。在中国，里氏硬度技术已有初步发展，为了推广这一先进技术，参照国际标准，机械工业部已颁布了"里氏硬度仪技术条件ZBN7l010-90"，国家质量技术监督局已颁布"金属里氏硬度试验方法GB/T17394-1998"。 

    一、什么是里氏硬度

    里氏硬度的概念是由瑞士Dr.DietmarLeeb博士提出来的，它是一种动态硬度试验法。硬度传感器的冲击体在与被测工件冲击过程中，距工件表面1mm时的反弹速度与冲击速度的比值乘以1000，定义为里氏硬度值，以HL表示里氏硬度计算公式如下：
    HL=Vb/Va×1000
    Vb:表示反弹速度
    Va:表示冲击速度

    二、里氏硬度仪的特点

    1、肖氏及里氏硬度均属动载测试法，但肖氏考察的是冲击体反弹的垂直高度，因此决定了肖氏硬度仪要垂直向下使用，这势必在实际使用中造成很大的局限性；而里氏就不同了，里氏考察的是冲击体反弹与冲击的速度，通过速度修正，可在任意方向上使用，极大地方便了使用者。
    2、通常使用的布、洛、维氏硬度计．由于体积庞大，不便于在现场使用，特别是需测试大、重型工件时。由于硬度计工作台无法容纳，所以根本无法检测。而里氏硬度仪无需工作台，其硬度传感器小如一只笔，可用手直接操作，无论是大、重型工件还是几何尺寸复杂的工件都能容易地检测。

    三、里氏硬度的相关因素

    里氏硬度试验法既然是动载测试法，那么里氏硬度值必然与金属材料的弹性模量E有关．而材料的不同所对应的弹性模量也不同所以里氏硬度仪是按材料种类进行分类测试的。

    四、里氏硬度与其它硬度的转换

    里氏硬度值与其它硬度值(HRC、HRB、HB、HV、HSD)之间有对应关系．因此可将里氏值(HL)转换成其它硬度值．里氏硬度仪可通过机内微电脑进行自动转换。

    五、里氏硬度与其它硬度的分类对比及检测要求

    从微观形变上分类，布、洛、维氏硬度考察的是材料的塑性形变，表现为压痕的大小或深度；里、肖氏硬度考察的是材料的弹性形变，表现为反弹速度的大小或高度。

    六、里氏硬度仪对测量的要求

    1、试样表面的要求
    测试面应有金属光泽，不应有氧化皮及其它污物，表面粗糙度应符合如下要求：
    冲击装置类型试件表面粗糙度(um)
    D、DC型≤1.6
    G型≤6.3
    C型≤0.4
    2、试样重量要求
    试样必须有足够的质量及刚性以保证在重建过程中不产生位移或弹动，质量应符合如下要求：冲击装置类型试样质量(Kg)稳定放置固定或夹持需耦合
    D、DC型>52～50.05～2
    G型>155～150.5～5
    C型>1.50.5～1.50.02～0.5
    3、试样厚度要求
    试样应有足够的厚度，最小厚度应符合如下要求：冲击装置类型试样最小厚度(mm)---D、DC型=5、G型=10、C型=1。
    4、试样具有表面硬化层，其硬化层深度应符合如下要求：冲击装置类型表面硬化层深度，D、DC型≥0.8，C型≥0.2。
    5、对于凹、凸、圆柱面及球面试样，其表面曲率半径应符合如下要求：冲击装置类型表面曲率半径(mm)，D，DC型≥30，C型≥50，对于表面为曲面的试样，应使用适当的支撑环，以保证冲击头冲击瞬间位置偏差在0.5mm之内。
    6、试样不应带有磁性。
    7、每个测量点间距应大于3～4mm，不可在同一点上重复测试，否则会引起较大的误差。同时会减短传感器的使用寿命。

    七、影响测试精度的几个问题

    由于里氏硬度仪是在动态力作用下测定金属硬度的，所以影响测试结果准确性的因素比较多，故应对这些因素如以一定的限制，主要包括:试验条件、试验对象、操作技术和数据处理等几个关健环节，下面将就一些具体问题探讨一下：

    1、试件曲率对精度的影响
    在现场工作中，经常遇到曲面的试件，各种曲面对硬度测试结果的影响不同，在正确操作的情况下，冲击体落在试件表面瞬间的位置与平面试件相同，故通用支撑环即可。但当曲率小到一定尺寸时，由于平面条件的变形和弹性状态相差显著，会使冲头回弹速度偏低，从而使里氏硬度示值偏低。
    2、数据换算产生的误差
    里氏硬度换算为其他硬度时的误差包括两个方面，一方面是里氏硬度本身测量误差，里氏硬度换算为其他硬度时的误差包括两个方面，一方面是里氏硬度本身测量误差，这涉及到按同一方法重复进行试验时的分散和对于多台同型号里氏硬度计的误差。另一方面是比较不同硬度试验方法所测硬度产生的误差，这是由于各种硬度方法之间不存在明确的物理关系，并受到相互比较中测量不可靠性影响的原因。
    本仪器的硬度换算是自动完成的，故可用布氏、洛氏、维氏、肖氏硬度标准块直接确定硬度计的换算误差。
    3、特殊材料引起为误差
    存储在硬度计中的换算表对以下钢种可能产生偏差：
    高合金钢
    ◆所有奥氏体钢
    ◆在高速钢中，耐热工具钢和莱氏体铬钢(工具钢类)硬质材料(莱氏体碳化物，例如M7C3和M6C会引起弹性模量增加，从而使HL值偏低。这类钢应在横截面上进行测试。
    ◆局部冷却硬化，例如由于切割或不适当的试样制备也会引起HL值偏高。
    磁性钢
    ◆在检验磁性材料硬度时，由于磁场影响，会使HL值偏低，如磁场较强，建议不用此种测试方法。
    表面硬化钢
    ◆表面产生硬化的材料，尤其是经表面处理的钢，由于基体软，会使HL值偏低，当硬化层大于0.8mm时(C型冲击装置为0.2mm)，则不影响HL值。
    对于特殊材料可用以下方法，自己建立对比关系。
    ◆试验面必须仔细制备
    ◆如不进行耦合，选择的试样足寸尽可能大
    ◆试样硬度在硬度仪换算范围内
    ◆用相应测量范围的硬度块检查静态硬度计准确性。
    ◆在试样上用静态硬度计测三个点，并在压痕周围用里氏变度仪测五个值，取其平均值。比较两种方法测出的硬度值即可得出误差范围。也可用一组不同硬度试样用上述方法绘出换算曲线。
    4、齿轮检测的误差
    一般情况下，里氏硬度仪对于模数大于7的齿轮齿面的检测是可以保证精确度的，但齿轮模数小于7时，由于齿面较小；测试误差相对较大，对此，用户可根据情况设计相应的工装，将有利于减小误差。
    5、材料弹性、塑性的影响
    里氏值除与硬度、强度相关外，更与弹性模量有关，硬度值是材料硬度和塑性的特征参数，因为两者的成分必然是共同测定的。
    在弹性部分，首先明显受E模量影响，在这方面当材料的静态硬度相同，而E值大小不同时。E值低的材料，HL值较大。
    根据材料的弹性模量。合金类型及热处理状态可以对各种材料分类。
    6、热轧方向造成构误差
    当被测工件系热轧工艺成型时，如果测试方向与轧制方向一致，会因弹性模量"E"偏大而造成测试值偏低，故测试方向应垂直于热轧方向。
    例如：测圆柱件截面硬度时，应在径向测试为好(一般圆柱件热轧方向为轴向)。
    7、其它因素的影响
    对管件测试时需注意以下几点：
    ◆管件注意稳固支撑
    ◆测试点应靠近支撑点且与支撑力平行
    ◆管壁较薄时在管内放入适当芯子
    在热处理过程中，有时会造成金属材质发生改变（如20Cr钢经渗碳-淬火后由合金结构钢变成低合金工具钢），在此情况下，应注意选择适当的金属材料。
    工件本身的硬度离散性也造成试值误差，应根据经验分析硬度分布，合理解释试值误差。操作方法、试样制备、探头配置如不正确，也会造成误差。
    总之：所有硬度计都不是万能的、不是能够解决所有问题、完美无瑕的！而便携式里氏硬度计，测值简易、痕迹小、硬度值测量广泛、携带方便，不受空间、方位等限制，是台式硬度机的有益补充和扩展！在模具，轧辊、容器制造、锻压等行业大有蔓延的趋势，不可忽视其流行的作用！