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(shè)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(shù)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(yīng)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?。?/p>

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(jié)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(dāng)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(dǎo)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(dāng)沖頭撞擊工件時，將導(dǎo)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(dǎo)致沖頭撞擊工件時工件表面的塑性變形發(fā)生相應(yīng)變化，造成測量結(jié)果的不準(zhǔn)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(zhǔn)確。如果沖擊方向不是垂直向下，沖頭的重力和摩擦均會導(dǎo)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(jìn)行測量，若在測量前忘記調(diào)整硬度計的沖擊方向，直接進(jìn)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(dǎo)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(dǎo)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(kuò)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(jìn)入硬度計導(dǎo)管，使得沖頭摩擦力增大，造成測量誤差。粘附的灰塵還會導(dǎo)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(dāng)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(dāng)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(yīng)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(dǎo)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(jìn)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(dāng)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(dǎo)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(guān)系，以便對薄壁工件的硬度值進(jìn)行修正，以確保測量數(shù)值盡可能準(zhǔn)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(zhǔn)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(jìn)行硬度檢驗。當(dāng)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(dǎo)致測試數(shù)值偏小。所以檢驗時應(yīng)該選擇焊縫成形性較好的部位進(jìn)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(yīng)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(yīng)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(yīng)穩(wěn)定地放置，不應(yīng)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(yīng)保持穩(wěn)定。

三、結(jié)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(zhǔn)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(jìn)行校準(zhǔn)，還應(yīng)定期檢查里式硬度計的結(jié)構(gòu)部件有無發(fā)生變化。若有變化，應(yīng)及時修理或更換。在檢驗過程中，檢驗人員應(yīng)不斷學(xué)習(xí)標(biāo)準(zhǔn)，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(zhǔn)確的數(shù)值。