肖 健, 孫 盼

(滬東重機(jī)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(jì)、布氏硬度計(jì)或里氏硬度計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)硬度檢測(cè)，再參照GB/T 1172-1999《黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值》換算得到的強(qiáng)度判斷其力學(xué)性能是否達(dá)標(biāo)，預(yù)判合格后再進(jìn)行取樣、加工，并檢測(cè)其各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)，以提高金屬材料力學(xué)性能檢測(cè)的一次合格率[1-3]。因此熱處理現(xiàn)場(chǎng)高效、準(zhǔn)確的硬度檢測(cè)方法可縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期和確保產(chǎn)品質(zhì)量。里氏硬度計(jì)是現(xiàn)場(chǎng)硬度檢測(cè)的首選設(shè)備，其操作簡(jiǎn)單、檢測(cè)效率高，對(duì)于幾何尺寸復(fù)雜的工件，也能較容易地進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)于大中型及重型零部件，在洛氏硬度計(jì)、布氏硬度計(jì)無(wú)法檢測(cè)硬度的情況下，里氏硬度計(jì)也可替代其進(jìn)行檢測(cè)，彌補(bǔ)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的條件不合適、環(huán)境不理想等問(wèn)題[4-10]。

但目前沒(méi)有將里氏硬度換算成其他硬度的精準(zhǔn)且普遍適用的方法，除非通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)得到相關(guān)的換算依據(jù)，否則應(yīng)盡量避免里氏硬度換算。因此筆者認(rèn)為對(duì)里氏硬度計(jì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行換算前，都必須進(jìn)行一次里氏硬度計(jì)校準(zhǔn)，用獲取的補(bǔ)償值修正偏差，從而提高里氏硬度換算值的參考價(jià)值。筆者闡述了里氏硬度計(jì)的檢測(cè)原理及操作方法，重點(diǎn)討論了里氏硬度計(jì)的應(yīng)用要領(lǐng)及校準(zhǔn)補(bǔ)償，以期提高里氏硬度計(jì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的準(zhǔn)確性，使其能夠更廣泛地應(yīng)用到各類現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中。

1 檢測(cè)原理及注意事項(xiàng)

1.1 檢測(cè)原理

里氏硬度試驗(yàn)是一種動(dòng)態(tài)試驗(yàn)法，采用彈性沖擊原理來(lái)得到硬度。但由于大多數(shù)操作者對(duì)其動(dòng)態(tài)試驗(yàn)方法的試驗(yàn)條件認(rèn)識(shí)不足，存在操作不嚴(yán)格或操作不當(dāng)?shù)葐?wèn)題，導(dǎo)致里氏硬度計(jì)應(yīng)用的過(guò)程中產(chǎn)生檢測(cè)誤差。

里氏硬度的概念是由Leeb博士提出來(lái)的，其是用規(guī)定質(zhì)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(jì)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(xiàng)

使用里氏硬度計(jì)檢測(cè)時(shí)應(yīng)盡可能地避免各種外界干擾，需注意被測(cè)材料的牌號(hào)、質(zhì)量、厚度、表面粗糙度等，以及里氏硬度計(jì)的沖擊裝置選用、試驗(yàn)方法，從而減少應(yīng)用不當(dāng)造成的檢測(cè)誤差。

1.2.1 材料選項(xiàng)

里氏硬度計(jì)通常都具備材料選項(xiàng)功能，使用前必須調(diào)至被測(cè)物相應(yīng)的材料選項(xiàng)，材料選項(xiàng)是按彈性模量E劃分的，選項(xiàng)的參數(shù)將直接影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。不同彈性模量對(duì)應(yīng)材料選項(xiàng)見(jiàn)表1。

表1 不同彈性模量對(duì)應(yīng)的材料選項(xiàng)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(xiàng)，是因?yàn)楸碇械腅是材料宏觀、靜態(tài)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(guò)程中會(huì)形成多相、彌散、高彈性模量的微觀組織，使材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能發(fā)生變化，會(huì)使對(duì)彈性模量很敏感的里氏硬度發(fā)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(huì)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(xiàng)。

1.2.2 沖擊裝置的選用

為適用于各種現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境檢測(cè)，里氏硬度計(jì)的沖擊裝置型號(hào)較多，不同型號(hào)具有不同用途，全部型號(hào)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(biāo)準(zhǔn)配置，用于普通金屬樣品的硬度檢測(cè)；DC型沖擊裝置短小，采用特殊的加力環(huán)，其他參數(shù)與D型沖擊裝置幾乎一致，應(yīng)用于較小空間的硬度檢測(cè)，如孔內(nèi)、圓柱筒內(nèi)等；G型沖擊裝置球頭直徑較大，其沖擊能量較高，對(duì)被測(cè)物表面質(zhì)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(cè)；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(zhì)量較小的被測(cè)物檢測(cè)。常用的4種沖擊裝置技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

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

1.2.3 檢測(cè)過(guò)程

沖擊體與被測(cè)物碰撞過(guò)程中，未作特殊穩(wěn)定處理的小質(zhì)量試樣會(huì)在沖擊力的作用下向沖擊方向瞬間加速移動(dòng)，當(dāng)碰撞結(jié)束后，沖擊體的回彈動(dòng)能及速度會(huì)減小，最終導(dǎo)致硬度示值小于標(biāo)準(zhǔn)硬度示值。所以被測(cè)物質(zhì)量無(wú)法滿足沖擊試驗(yàn)檢測(cè)條件的最低要求時(shí)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(yàn)對(duì)被測(cè)物厚度要求不僅不能被打穿，還要防止被測(cè)物在受到?jīng)_擊力時(shí)發(fā)生彈性或塑性變形的現(xiàn)象發(fā)生，所以厚度必須滿足各種沖擊裝置的相關(guān)檢測(cè)條件。

里氏硬度試驗(yàn)對(duì)被測(cè)物表面粗糙度有一定要求，表面粗糙的試樣會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)示值偏低，高硬度的試樣更明顯。通用型(D型)沖擊裝置對(duì)被測(cè)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(yàn)方法對(duì)壓痕間距、壓痕邊距都有一定要求一樣，里氏硬度試驗(yàn)對(duì)壓痕間距也有相應(yīng)的要求。因一個(gè)硬度壓痕及其周圍一定區(qū)域內(nèi)的材料會(huì)發(fā)生冷作硬化，新壓痕及其應(yīng)力區(qū)應(yīng)離開(kāi)前者區(qū)域，否則硬度會(huì)偏高。由于壓痕應(yīng)力影響區(qū)的原因，當(dāng)壓痕中心距被測(cè)物邊緣過(guò)近時(shí)，硬度會(huì)偏低。

里氏硬度檢測(cè)中試驗(yàn)力應(yīng)盡量保證垂直于被測(cè)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?qū)⑵x沖擊體回彈方向，其回彈速度將小于應(yīng)有的速度，硬度會(huì)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(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，以及檢測(cè)表面硬化層的硬度時(shí)應(yīng)注意硬化層的有效厚度。

綜合上述事項(xiàng)，根據(jù)GB/T 17394.1-2014《金屬材料 里氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》的技術(shù)要求，將相關(guān)應(yīng)用要求匯總于表3。

表3 里氏硬度檢測(cè)相關(guān)要求Tab.3 Leeb hardness test relevant requirements

1.3 檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)GB/T 17394.1-2014的要求,里氏硬度試驗(yàn)應(yīng)至少進(jìn)行3次，并計(jì)算其算數(shù)平均值。如果硬度相差超過(guò)20 HL，應(yīng)增加試驗(yàn)次數(shù)，并計(jì)算算術(shù)平均值。

沒(méi)有將里氏硬度檢測(cè)結(jié)果換算成其他硬度的精準(zhǔn)且普遍適用的方法，除非通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)得到相關(guān)的換算依據(jù)，否則應(yīng)盡量避免里氏硬度換算。當(dāng)必須進(jìn)行換算時(shí)，對(duì)于常用金屬材料可參照GB/T 17394.4-2014進(jìn)行換算。

在里氏硬度符號(hào)前示出硬度數(shù)值，在后面示出沖擊裝置類型，如600 HLD。對(duì)于里氏硬度換算其他硬度的標(biāo)識(shí)，GB/T 17394.1-2014中沒(méi)有明確規(guī)定，通常在里氏硬度符號(hào)之前給出相應(yīng)的硬度符號(hào)，如600 HBHLD。

2 里氏硬度計(jì)的校準(zhǔn)

2.1 校準(zhǔn)條件

被校準(zhǔn)材料必須取自試樣基體或熱處理?xiàng)l件相同的同牌號(hào)試樣，試樣需加工成φ100 mm、厚度55 mm的圓形樣塊。校準(zhǔn)面與支撐面需保證平行度不大于0.1 mm，校準(zhǔn)面Ra不大于0.8 mm；支撐面Ra不大于1.6 mm。G型硬度計(jì)校準(zhǔn)試樣質(zhì)量需大于15 kg。

2.2 校準(zhǔn)方法

按GB/T 17394.4-2014的技術(shù)要求進(jìn)行里氏硬度檢測(cè)，取15個(gè)點(diǎn)的算數(shù)平均值作為里氏硬度計(jì)最終檢測(cè)值用于校準(zhǔn)，根據(jù)實(shí)際情況可減少檢測(cè)點(diǎn)。以相關(guān)洛氏、布氏、維氏等硬度標(biāo)尺的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法進(jìn)行被校準(zhǔn)物檢測(cè)，并至少檢測(cè)4點(diǎn)，去掉第一點(diǎn)的值后，取算數(shù)平均值為最終檢測(cè)值。計(jì)算兩次檢測(cè)結(jié)果算數(shù)平均值之間的偏差可得到補(bǔ)償值，即補(bǔ)償值(偏差值)等于標(biāo)準(zhǔn)硬度算數(shù)平均值減去里氏硬度算數(shù)平均值。

2.3 校準(zhǔn)結(jié)果

筆者將從事現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)遇到的材料校準(zhǔn)匯總于表4，包括灰口鑄鐵、球墨鑄鐵、高頻淬火件等檢測(cè)結(jié)果的對(duì)比。

將表4檢測(cè)結(jié)果的算數(shù)平均值按該文3.2節(jié)校準(zhǔn)方法進(jìn)行計(jì)算，得到以下材料牌號(hào)換算時(shí)的補(bǔ)償值，見(jiàn)表5，并注明了校準(zhǔn)材料基體的硬度范圍，以提高參考價(jià)值。

表4 不同材料硬度檢測(cè)結(jié)果及換算值對(duì)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(bǔ)償值Tab.5 Leeb hardness conversion compensationvalues of different materials

3 分析與討論

GB/T 17394.1-2014中沒(méi)有規(guī)定表面硬化層的硬度檢測(cè)方法，建議在使用里氏硬度計(jì)檢測(cè)表面硬化層硬度時(shí)注意有效硬化深度，采用D型、DC型沖擊裝置時(shí)，有效硬化深度不小于0.80 mm，采用C型沖擊裝置時(shí)有效硬化深度不小于0.20 mm，但其檢測(cè)結(jié)果只能作為參考，僅限用于產(chǎn)品質(zhì)量的快速檢驗(yàn)，而非標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法。

GB/T 17394.1-2014中規(guī)定在里氏硬度符號(hào)前示出硬度數(shù)值，在后面示出沖擊裝置類型。但對(duì)于用里氏硬度換算其他硬度符號(hào)的標(biāo)識(shí)，GB/T 17394.1-2014中沒(méi)有明確規(guī)定，筆者認(rèn)為在里氏硬度符號(hào)之前給出相應(yīng)的硬度符號(hào)較為合適,如300 HVHLD，400 HBHLD，500 HRCHLD,以區(qū)分硬度為里氏硬度轉(zhuǎn)換值。

相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)方法中涉及硬度計(jì)的應(yīng)用較少，特別是被測(cè)物材料選項(xiàng)的設(shè)置未具體說(shuō)明，只是在GB/T 17394.4-2014中標(biāo)明了相關(guān)材料的彈性模量，而在里氏硬度計(jì)的使用中，此選項(xiàng)環(huán)節(jié)是非常重要的，會(huì)影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，建議相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)增加該步驟，以避免初學(xué)者的疏忽影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

當(dāng)里氏硬度必須進(jìn)行換算時(shí)，對(duì)于常用金屬材料可參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17394.4-2014，但沒(méi)有普遍適用的精準(zhǔn)方法將里氏硬度換算成其他硬度，除非通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)得到相關(guān)的換算依據(jù)。因相同彈性模量的材料，存在微觀組織、合金含量、力學(xué)性能等不同的情況，對(duì)材料本身彈性模量具有一定影響，也會(huì)影響里氏硬度檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此筆者認(rèn)為，里氏硬度計(jì)在檢測(cè)值換算前都必須進(jìn)行一次校準(zhǔn)對(duì)比，以得到補(bǔ)償值修正換算結(jié)果，從而提高換算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

使用里氏硬度計(jì)檢測(cè)時(shí)應(yīng)注意被測(cè)材料的牌號(hào)、質(zhì)量、硬度、厚度、表面粗糙度等，采用合適的沖擊裝置和試驗(yàn)方法，避免因試驗(yàn)條件不合適或操作不當(dāng)而造成檢測(cè)誤差。在熱處理現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)條件不合適、環(huán)境不理想的情況下，可通過(guò)計(jì)算校準(zhǔn)偏差(即補(bǔ)償值)來(lái)提高換算結(jié)果的準(zhǔn)確性。建議里氏硬度計(jì)在檢測(cè)值換算前應(yīng)進(jìn)行一次校準(zhǔn)對(duì)比，以得到補(bǔ)償修正換算結(jié)果，從而提高換算結(jié)果的準(zhǔn)確性。