洛氏硬度測量粗大誤差的原因及措施

胡劍鋒，尹中秋，毛 喆，黃天勇

(1.中國人民解放軍駐一二四廠軍事代表室，河南 鄭州 450005； 2.航空工業(yè)鄭飛公司熱表廠，河南 鄭州 450005)

在熱處理生產(chǎn)過程中，硬度測量是必不可少的環(huán)節(jié)，其中洛氏硬度因操作便捷，測量值可直接在表盤上或數(shù)字顯示，在大量生產(chǎn)中廣泛使用。洛氏硬度涉及A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T共11項(xiàng)標(biāo)尺，雖然各標(biāo)尺所用的載荷和硬度計(jì)的針頭不同，其測量原理都是一致的。在硬度測量時(shí)，存在不可避免的測量系統(tǒng)誤差，但也存在一定的粗大誤差，粗大誤差是指超出規(guī)定條件下的測量誤差，對測量結(jié)果產(chǎn)生明顯歪曲的數(shù)值[1]。即在日常對制件進(jìn)行洛氏硬度測量時(shí)，不是因?yàn)榻M織不均勻的原因，卻出現(xiàn)個(gè)別測量值偏高或偏低的現(xiàn)象。

1 洛氏硬度測量原理

洛氏硬度試驗(yàn)原理圖見圖1。

圖1 洛氏硬度試驗(yàn)原理圖Fig.1 Principle diagram of rockwell hardness test

從圖1的洛氏硬度試驗(yàn)原理圖可以看出，洛氏硬度測量時(shí)，是在初試驗(yàn)力F0及主試驗(yàn)力F1作用下，將硬度計(jì)針頭壓入制件表面，然后卸除主試驗(yàn)力F1，在初試驗(yàn)力F0下測量殘余壓入深度h計(jì)算洛氏硬度。

在F0和F1作用下，將硬度計(jì)針頭壓入制件，此時(shí)制件產(chǎn)生了彈性變形和塑性變形。針頭達(dá)到一定深度，卸除F1后，此時(shí)發(fā)生彈性變形的部分恢復(fù)原狀，針頭回復(fù)一定深度，此時(shí)的殘余壓入深度是制件發(fā)生塑性變形所產(chǎn)生的?？梢钥闯觯迨嫌捕仁且詨汉鬯苄宰冃紊疃葋泶_定硬度值指標(biāo)。塑性變形越大，則殘余壓入深度也大，對應(yīng)的硬度值低，反之，塑性變形小，殘留壓入深度則小，對應(yīng)的硬度值也高。

2 影響測量粗大誤差的因素

影響洛氏硬度測量結(jié)果的偏差因素比較多，本文重點(diǎn)討論在生產(chǎn)操作中造成的測量誤差，對硬度計(jì)自身的故障造成硬度測量結(jié)果的偏差在此不進(jìn)行論述。常見造成測量粗大誤差的因素主要有以下幾種：

1)壓頭接觸面增大

洛氏硬度計(jì)的壓頭為圓錐或鋼球，隨著圓錐角或球面半徑的增大，增加了壓頭與制件的接觸面積，使在測試過程中制件對壓頭的變形阻力增大，產(chǎn)生的塑性變形小，所得到的殘余壓入深度減小，所測的硬度值偏高。導(dǎo)致這種現(xiàn)象常見的有以下兩種情況：①硬度計(jì)針頭扎入前期測量的位置；②制件表面粗糙，在測量時(shí)硬度計(jì)針頭扎入制件表面波谷處。

這兩種情況都會(huì)導(dǎo)致硬度測量時(shí)，載荷F0的初始壓入深度增大，造成壓頭與制件接觸面增大，而得到變形阻力增大、殘余壓入深度變小，出現(xiàn)硬度值偏高的結(jié)果。

2)制件局部塑性變形大

進(jìn)行洛氏硬度測量時(shí)，因測量部位局部塑性變形大，造成所測量出的硬度值比真實(shí)值低。常見情況有：①在制件圓面上測量；②測量點(diǎn)相鄰近；③測量點(diǎn)距制件邊緣過近。

生產(chǎn)實(shí)踐表明，在對同一制件在圓面上進(jìn)行硬度測量時(shí)，比在其平面上測量的低，并且對于同一硬度的圓柱體試樣，直徑越小，即曲率半徑越小，曲面上壓痕周圍所減少的體積比平面試樣的越多，其變形抗力越小，則反映出的硬度值越低[2]。多次測量時(shí)，因原測量點(diǎn)已發(fā)生塑性變形，再次測量時(shí)，若與前次測量點(diǎn)過近，制件整體抵抗壓頭變形能力變小。同理，測量點(diǎn)若距制件邊緣近，也會(huì)導(dǎo)致測量部位局部塑性變形大。

3)彈性后效的影響

從前面的洛氏硬度測量原理中可以看出，洛氏硬度是以殘留塑性變形的深度在表征硬度值，在測量過程中，制件的彈性變形在主試驗(yàn)力F1的卸載后恢復(fù)，對測量的結(jié)果不產(chǎn)生影響。理論上，完整彈性體在加載時(shí)立即變形，卸載時(shí)立即恢復(fù)原狀。脆性材料的物體，在應(yīng)力未超過比例極限以前，可以作為近似的完全彈性體；塑性材料的物體，在應(yīng)力未達(dá)到屈服極限以前，也可以作為近似的完全彈性體[3]。因此，在洛氏硬度測量時(shí)，應(yīng)力和彈性應(yīng)變同相位，二者完全符合胡克定律，呈線性關(guān)系，與時(shí)間無關(guān)。

但實(shí)際生產(chǎn)中，材料在卸載后，存在應(yīng)力與彈性應(yīng)變二者之間不同相位，不呈線性關(guān)系，與時(shí)間有關(guān)。這種彈性應(yīng)變落后于外加應(yīng)力，并和時(shí)間有關(guān)的彈性變形稱之為彈性后效或滯彈性。彈性后效是在彈性變形中出現(xiàn)的非彈性行為，使洛氏硬度測量卸除主載荷后，彈性變形沒有完全恢復(fù)，使殘余壓入深度比正常深，則得出的硬度結(jié)果比真實(shí)值偏低。在對一般鋼件進(jìn)行洛氏硬度C標(biāo)尺測量時(shí)，因操作不當(dāng)引起的彈性后效會(huì)導(dǎo)致測量值比真實(shí)測量值低2～3 HRC，但對銅合金QBe2的測試中偏差更為明顯，這是因?yàn)閺椥院笮У挠绊懪c材料的彈性模量有關(guān)，QBe2的彈性模量為128 GPa，比一般鋼材彈性模量200～230 GPa小很多，這也就是說在同硬度的鋼材和QBe2分別進(jìn)行HRC測試時(shí)，QBe2制件的彈性變形更大，在試驗(yàn)力F1作用下壓入深度更深，這點(diǎn)在測量時(shí)從表盤中就可看出。同時(shí)，QBe2經(jīng)熱處理后，能取得較好的彈性極限。QBe2對彈性后效的敏感性比鋼件大很多，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致偏差達(dá)8～10 HRC。

影響彈性后效的因素有很多，如組織均勻性、溫度、切向應(yīng)力等，在硬度測量過程中，最為明顯的影響因素是切向應(yīng)力。理論上，在進(jìn)行洛氏硬度測量時(shí)，是在靜態(tài)地進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)應(yīng)力的施加和撤除都非常緩慢，并且壓頭軸線與所測制件表面垂直，在測量過程中，不產(chǎn)生切向應(yīng)力，在洛氏硬度測量時(shí)不會(huì)產(chǎn)生彈性滯后的現(xiàn)象。但若操作不當(dāng)，使在測量中產(chǎn)生切向應(yīng)力，則會(huì)使制件產(chǎn)生明顯的彈性后效現(xiàn)象。導(dǎo)致測量中產(chǎn)出切向應(yīng)力的原因有以下幾種：①制件放置不平穩(wěn)。制件本身不平、制件與硬度計(jì)所用的支撐墊塊不合適及制件表面有顆粒污物等，都會(huì)導(dǎo)致制件放置不平穩(wěn)，使硬度計(jì)在測量過程中會(huì)出現(xiàn)位移現(xiàn)象，產(chǎn)生切應(yīng)力；②制件有油污。制件表面的油污會(huì)使硬度計(jì)壓頭在測量時(shí)產(chǎn)生位移，產(chǎn)生切應(yīng)力。同時(shí)，油污的存在還對硬度計(jì)壓頭有一定潤滑作用，使硬度計(jì)壓入制件深度增加，使硬度值偏低；③制件粗糙度大。硬度計(jì)試驗(yàn)力作用在較為粗糙的制件表面時(shí)，會(huì)因制件表面抵抗試驗(yàn)力的大小和方向的不一致，必然會(huì)產(chǎn)生切向應(yīng)力。

4)硬度計(jì)操作不規(guī)范

對于洛氏硬度計(jì)，施加載荷時(shí)存在預(yù)載荷和工作載荷兩個(gè)過程[4]，若因人為操作將加載速度過快，形成一定的沖擊力使試驗(yàn)力超出規(guī)定值，將會(huì)導(dǎo)致壓痕深度增加。另外，總試驗(yàn)力保持時(shí)間過長，所測硬度值低。這是由于熱處理制件的組織都為多晶體，在塑性變形時(shí)，各晶粒不是同時(shí)開始的，而是分先后相繼進(jìn)行的[5]。長時(shí)間對制件保持總試驗(yàn)力，會(huì)使制件塑性變形增大，殘留壓痕深度變大。

3 控制措施

對于減少洛氏硬度測量中的粗大誤差，應(yīng)從工藝前期策劃、規(guī)范操作、控制待測制件質(zhì)量等方面進(jìn)行控制。

1)工藝策劃

熱處理技術(shù)人員應(yīng)對生產(chǎn)中需進(jìn)行硬度測量的制件指定待測部位和所用的測試標(biāo)尺，應(yīng)從以下幾方面進(jìn)行考慮：①待測部位應(yīng)選平面，并要保證制件待測部位的厚度應(yīng)符合GBT 230.1—2009《金屬材料洛氏硬度試驗(yàn)》中的規(guī)定：“對于用金剛石圓錐壓頭進(jìn)行的試驗(yàn)，試樣或試驗(yàn)層的厚度應(yīng)不小于殘余壓痕深度的10倍；對于用球壓頭進(jìn)行的試驗(yàn)，試樣或試驗(yàn)層的厚度應(yīng)不小于殘余壓痕深度的15倍”。若必須選取圓面，可與機(jī)加技術(shù)人員協(xié)調(diào)熱處理前的制件余量，在進(jìn)行洛氏硬度測量時(shí)，可將圓面打磨成小平面后進(jìn)行測量；②對于大型制件的洛氏硬度測量，在測試中很難避免制件重心在硬度支持臺上，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)制件在測試中偏移而操作測量粗大誤差。對此可在大制件留有余量，熱處理后在制件上割取相應(yīng)試樣，對試樣進(jìn)行洛氏硬度檢測；③對于形狀結(jié)構(gòu)特殊的制件，熱處理人員應(yīng)設(shè)計(jì)相應(yīng)的測量工裝，保證制件在測試過程中放置平穩(wěn)。

2)規(guī)范操作

規(guī)范操作是準(zhǔn)確測量的必要保證，在進(jìn)行洛氏硬度時(shí)，應(yīng)注意以下方面：①規(guī)范硬度計(jì)期間檢查。每天在硬度計(jì)使用前用標(biāo)準(zhǔn)硬度塊對硬度計(jì)進(jìn)行檢查，若發(fā)現(xiàn)測量偏差大，及時(shí)通知計(jì)量人員對硬度計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)檢查，避免因硬度計(jì)的故障造成測量偏差；②規(guī)范加載、卸載。在壓頭與制件表面接觸后，應(yīng)無沖擊、無振動(dòng)的施加初試驗(yàn)力F0和主試驗(yàn)力F1，初試驗(yàn)力保持時(shí)間控制在3 s以內(nèi)，從施加F0到F1的時(shí)間應(yīng)>1 s而<8 s。F0和F1的總試驗(yàn)力應(yīng)控制在2～6 s。在生產(chǎn)中應(yīng)防止為了圖快而在加載和卸載過程中手推加載和卸載機(jī)構(gòu)；③規(guī)范測量點(diǎn)間距。在相鄰測量點(diǎn)的距離應(yīng)≥2 mm，并且保證任一測量點(diǎn)距制件邊緣的距離應(yīng)>1 mm。

3)制件質(zhì)量

對待測制件，應(yīng)從以下幾方面控制制件質(zhì)量：①制件表面清潔干凈。對待測制件測量前應(yīng)確保無油污、無氧化，若存在應(yīng)對制件進(jìn)行打磨拋光氧化層，用溶劑清洗干凈油污并晾干后再進(jìn)行測量。同時(shí)，在制件放在硬度計(jì)支持臺前，應(yīng)用布擦拭制件待測面和其與支持臺接觸面，防止顆粒的存在影響測量結(jié)果；②待測制件表面粗糙度低。應(yīng)采用手動(dòng)打磨拋光或采取磨床加工的方式，確保制件待測表面的粗糙度。一般鋼件待測表面粗糙度Ra≤1.6 μm，對于QBe2之類的銅合金制件，由于對彈性后效敏感，測量時(shí)其表面粗糙度Ra應(yīng)控制在0.8 μm以下；③保證所測制件放置平穩(wěn)。確保硬度計(jì)針頭垂直壓入是避免產(chǎn)生切向應(yīng)力的主要措施，因此，所測制件與硬度計(jì)所用的支撐墊塊必須合適，保證制件放置平穩(wěn)，在測量過程中不會(huì)出現(xiàn)位移現(xiàn)象。

4 結(jié)語

影響洛氏硬度的測量誤差有很多，在日常生產(chǎn)中，應(yīng)通過實(shí)踐不斷完善改進(jìn)，通過規(guī)范操作流程，細(xì)化操作步驟，最大限度減少洛氏硬度測量過程中的粗大誤差，確保測量結(jié)果的穩(wěn)定性。