技术文章

1.测试原理

随着单片技术的发展，1978年，瑞士人Leeb博士提出了一种全新的测硬方法，它的基本原理是具有一定质量的冲击体在一定的试验力作用下冲击试样表面，测量冲击体距试样表面1mm处的冲击速度与回跳速度，利用电磁原理，感应与速度成正比的电压。里氏硬度值以冲击体回跳速度与冲击速度之比来表示。

计算公式：HL=1000*（VB/VA）

式中：HL——里氏硬度值

VB——冲击体回跳速度

VA——冲击体冲击速度

2.测试步骤

（1） 将被检测物体应平放于地面，必须保证平稳，不得有任何晃动，被检测位置不得有悬空状态，必要时需加支撑块；

（2）打开硬度计→物体的材料设置→硬度值设置（HRC\HRB\HB）→硬度检测方向设置→开始硬度检测；

（3）将冲击装置压紧在被测表面并向下按一下，1s后再按硬度计上面凸出的小圆柱，硬度值就会自动显示出来，在这过程中操作人员必须将冲击装置放稳，方向也应与被测面保持垂直状态；

（4）每个检测部位应至少测试3个点，两测试点之间距离应≥3mm，测试完后取平均值做为该部位硬度，并记录，然后进入下一个部位检测；

（5） 测试结果与物体的要求进行比较，达到要求为合格，转入下一道工序；不合格则转入隔离区，记录检测结果；

3.装置

里氏硬度计有D、DC、D+15、C、G、E、DL七种：

D：外型尺寸：f20*70mm，重量：75g.通用型，用于大部分硬度测量。

DC：外型尺寸：f20*86mm，重量：50g。冲击装置很短，主要用于非常局促的地方，例如孔或圆筒内。

D+15：外型尺寸：f20*162mm，重量：80g。头部细小，用于沟槽或凹入的表面硬度测量。

C：外型尺寸：f20*141mm,重量：75g。冲击能量zui小，用于测小轻、薄部件及表面硬化层。

G：外型尺寸：f30*254mm，重量：250g。冲击能量大，对测量表面要求低。用于大、厚重及表面较粗糙的锻铸件。

E：外型尺寸：f20*162，重量80g压头为人造金刚石，用于硬度*材料的测定。

DL：外形尺寸：f20*202mm，重量：80g头部更加细小，用于狭窄沟槽及齿轮面硬度的测定。

4.使用场合

在现场工作中，经常遇到曲面试件，各种曲面对硬度测试结果影响不同，在正确操作的情况下，冲击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的弹性状态相差显著会使冲击体回弹速度偏低，从而使里氏硬度示值偏低。因此对试样，建议测量时使用小支撑环。对于曲率半径更小的试样，建议选用异型支撑环。

5.试件要求

（1）对被测试件的一般要求试件表面应洁净，无灰尘，无油污和无氧化皮。

（2）对试件表面温度的要求试件表面的温度不能过热，要求温度小于120℃。测试*温度为4℃-38℃。

（3）对试件表面粗糙度的要求试件表面粗糙度应满足下表的要求，试件表面的粗糙度不但影响测试精度，而且影响冲击球头的使用寿命。

（4）对试件重量的要求

* 对足够重的试件不需要支撑，直接进行测试。

* 对重量不太重的试件，有悬伸部分的试件以及薄壁试件，在测试时应使用物体支撑，以避免冲击力引起试件的扭曲、变形和移动。

* 对重量较小的试件，应使其与重量大与5kg的支撑体牢牢耦合，要求试件与支撑体表面必须平整、光滑，耦合剂(凡士林，机油等)用量不宜过多，测试方向必须垂直于耦合平面。冲击装置与试件重量的关系见下表：

（5）对试件表面硬化层厚度的要求对于表面覆有硬化层的试件，为保证测试精度，要求对应于不同的冲击装置试件表面硬化层厚度应符合下表规定：

（6）对板材、管壁型试件厚度的要求对于板材、管材和其它薄片型试件的测试，为保证测试精度，要求对应于不同的冲击装置试件厚度应符合下表

（7）对曲口试件保证测试精度的要求使用D型冲击装置，要求试件曲面半径大于30mm；使用G型冲击装置，要求试件曲面半径大于50mm。对不满足上述要求的球面、柱面和凹面等曲口试件，为保证测试精度，应采用异型支撑环（选购件）。

异型支撑环有如下规格：

* 外圆球面：K10-15mm，K14.5-30mm。

* 内圆球面：HK11-13mm，HK12.5-17mm，HK16.5-30mm。

* 外圆柱面：Z10-15mm，Z14.5-30mm，Z25-50mm。

* 内圆柱面：HZ11-13mm，HZ12.5-17mm，HZ16.5-30mm。

* 特殊外形：UN

（8）对试件表面无磁性的要求试件表面不能带有磁性，带有磁性的试件将影响测试精度。要求试件剩磁应小于4G。

（9）对试件无振动的要求测试时，试件所处的四周环境不应有振动，否则会影响测试结果。

6.范围

根据里氏原理，只要材料具备一定刚性，能形成反弹，就能测出准确的里氏硬度值，但很多材料里氏与其它制式的硬度没有相应的换算关系，里氏硬度计只装了9种材料的换算表。具体材料如下：钢和铸钢，合金工具钢，灰铸铁，球墨铸铁，铸铝合金，铜锌合金，铜锡合金，纯铜，不锈铜。

对于一些特殊材料的试样，用户可使用公司提供的拟合曲线软件做换算表。在实际生产中，使用的金属材料多种多样，由于里氏硬度计对材料的加工方式、材料的合金元素组成敏感，而里氏硬度计芯片中储存的硬度换算表不可能都满足用户的需要，用户在测试中，可以使用拟合软件做自己的硬度换算表。

7.误差影响

（1）数据换算产生的误差

里氏硬度换算为其它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，这涉及到按方法进行试验时的分散和对于多台同型号里氏硬度计的测量误差。另一方面是比较不同硬度试验方法所测硬度产生的误差，这是由于各种硬度试验方法之一间不存在明确的物理关系，并受到相互比较中测量不可靠影响的原因。

（2）特殊材料引起的误差

存贮在硬度仪中的换算表对下列钢种可能产生偏差：

所有奥氏体钢耐热工具钢和莱氏体铬钢（工具钢类）硬质材料会引起弹性模量增加，从而使L值偏低。这类钢应在横截面上进行测试局部冷却硬化会引起L值偏高磁性钢由于磁场影响，会使L值偏低。

表面硬化钢，基体软，会使L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L值。

（3）齿轮检测中的误差

一般情况下，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，将有助于减小误差。

（4）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，L值较大

（5）热轧方向造成的误差

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：测圆柱截面硬度时，应在径向测试为好。（一般圆柱热轧方向为轴向）。

（6）试样重量、粗糙度、厚度的影响

（7）试件磁性应小于300高斯

（8）其它因素的影响

测量管件硬度时须注意：管件注意稳固支撑，测试点应靠近支撑点且与支撑力平行，管壁较薄在管内放入适当芯子。

8.选择

里氏硬度计属于计量检测仪器，在保证产品质量、进行失效分析方面起着重要作用，因此选择好里氏硬度计对于使用者来说是个关键问题。

如何鉴别里氏硬度计的优劣？

真正的里氏硬度计是符合国家标准和标准且具有互换一致性的。虽然中国有关部门制定了里氏硬度计国家标准，有些生产厂家的技术实力由于达不到生产符合标准里氏硬度计的水平，因此采用修正的方法生产里氏硬度计，其产品虽也名为里氏硬度计，但与真正的里氏硬度计相去甚远，原本测值不准的硬度计经过修正后也可以达到测试硬度试块准确的要求，因此用户要选择好里氏硬度计需要注意真正里氏硬度计的以下特征：

①冲击装置具有互换性。里氏硬度计的一台主机可以同时配置七种不同类型的冲击装置；若干支同一种类的冲击装置可以配置在一台主机上。

②冲击装置的冲头具有可更换性。里氏硬度计冲击装置的冲头具有可更换性。同一种类冲击装置的冲头可以相互替换而不影响测值。

③里氏硬度计不具有可调整性。里氏硬度计出厂后不具有可调整性，由于球头的磨损造成测值不准时，应采用更换球头的办法解决。

④里氏硬度计测量误差在硬度的全范围满足标准要求。里氏硬度计测量误差在硬度的整个范围从低到高都是满足标准规定的误差要求的。

9.行业

热处理是提高和保证机械产品质量及可靠性、提高制造业市场竞争力的重要基础之一，其行业水平的高低对制造业发展起着举足轻重的作用。我国的热处理行业除了少数厂家外，总体水平远不能适应加入WTO后热处理行业面临的更激烈的市场竞争环境。在这其中，我国的热处理检测设备更为落后。严重的限制和阻碍了工艺技术的发展和造成产品质量的不稳定，更重要的是不能有效的防止产品出现不必要的质量事故。下面我就机械零件、工模具热处理后zui常用的硬度测试来举例。

硬度是衡量金属材料软硬的一个指标，硬度值实际上不是一个单位的物理量，它是表征着材料的弹性、塑性、形变、强化率、强度和韧性等一系列不同物理量组合的一种综合性能指标，一般可以认为硬度是指金属表面上不大体积内抵抗变形破裂的能力。采用便携式里氏硬度计进行硬度检测的实用价值在于不必破坏工件并可成批检验零件，已成为产品质量检查、制定合理工艺和分析产品质量的重要实验方法之一。

根据对里氏硬度计的使用状况与使用方式，里氏硬度计是压入和回跳硬度值组合的一种测试方式，从结构上有它*而又广泛的实用性，尤其是测试大中型尺寸而且形状复杂的工件及工模具的硬度值与失效分析，具有其他类型硬度计不可替代的优势。

10.检测

（1）用里氏硬度计测试硬度来分析、验证大型齿轴、内齿圈预处理工艺及渗碳淬火工艺的方法：

预处理工艺后测试

这道工艺操作后的质量直接影响渗碳工艺操作后齿轴、内齿圈渗碳层硬度分布的均匀性、齿部的变形量。更重要的是芯部的强度（未渗层）。当用里氏硬度计测试齿轴的齿部及柄部、内齿圈的外圆内径及端面，如果发现测试的同一区域硬度zui高和zui低的相差较大，在审查仪表炉温、装炉方式、工艺冷却方式都正常的前提条件下，就可根据硬度值高低差值及分布的状况，推断出工件内组织存在着偏析或带状组织。如金相图片显示的带状偏析

因为用硬度法测试的实况是测试点在黑色的珠光体带硬度偏高，在白色铁素体带硬度偏低。这种组织缺陷在随后的渗碳淬火工艺操作中是不可能消除，而是被保留下来。一旦大型齿轴、内齿圈存在这种组织缺陷，在装机使用时不仅会造成使用寿命短的问题，而且常造成重大设备事故。当我们通过测试硬度法可推断出锻件中有这种带状偏析后，立即采用固溶处理工艺操作或其他消除带状偏析的工艺即可消除缺陷，从而防止设备事故的发生、减少损失。

渗碳工艺后测试

这道工艺是齿轴与内齿圈的zui终热处理工艺，通常检验人员只对试样测试HRC硬度，

然后再切开试样做金相分析：渗层马氏体级别、碳化物级别、形态分布、残余奥氏体量形态、心部马氏体级别，再用显微硬度计测试渗层从表层至HV550硬度为深层深度以上操作作为终检。但从现场发生齿轴早期失效断轴，齿部严重磨损的事故分析中发现，实物的硬度低于试样的硬度，尤其常常出现在深层渗碳时，原因是实物齿轴、内齿圈与试样不是同块料上截取下来的，也不是同一炉所做的预处理。这样在实物与试样渗前原始组织不同，渗后的组织与硬度有一定差异，更主要的是在整个渗碳工艺操作中，由于工件的摆放及渗碳表面积巨大的差异（化学热处理吸收过程的相界面反应及主要因素中有一条渗入介质各组分的浓度与工件表面状态、表面形状、表面积大小及表面能量对化学热处理过程有极其重要的影响）把里氏硬度计测试出的硬度与试样上洛氏硬度计及显微硬度计测试出的硬度相比较、加之对试样渗层的金相组织分析结合起来，就可较快而准确的找出产生质量问题的原因。加之作必要的工艺调整，可在工件组装前就把事故隐患消除。

（2）用里氏硬度计测试硬度来分析、验证中大型复杂结构模具工艺，

这是一支用马氏体不锈钢所制作的饲料模具，主要用于生产饲料。模具上有10000～27000个孔，每小时有10吨的混合饲料粉状物从模孔区挤出成为颗粒状。所以环模质量与使用寿命的关键控制点是环模上模孔区的硬度与渗层。以下是模孔磨损的实物图片：

由于模具尺寸大，而且模孔分布在外圆上，测试点是个曲面，孔与孔之间的间距一般有3～4mm，在这种条件下正好发挥了里氏硬度计的多样适用性与小巧携带方便的特点，能够准确的测试出模孔处实际硬度。根据实测的硬度以及对试块所作的金相分析，可更合理的修正和制定工艺，充分发挥材料潜力，提高使用寿命。如环模一小时出10吨饲料，当延长10小时使用寿命就可出100吨饲料，会给企业带来巨大的经济效益。

（3）工模具失效分析中里氏硬度计的作用

材质5CrMnMo大型热锻模具在使用中常因为型腔早期磨损、塌陷而失效。

当用里氏硬度计对磨损区测试硬度时发现磨削的硬度值低于未使用前测试的硬度（38～42HRC）在32～34HRC范围。这就说明在红热的毛坯（>10000C）对型腔加热的第二阶段（毛坯在型腔加热大体可分为四个阶段）,受热量大约在80%～85%时，因模腔壁厚散热慢，某些点区温度高达6500C以上。当模具型腔因传导受热后温度超过模具回火温度，模具在工作过程中是处在继续回火过程阶段，将继续发生组织与性能的变化，就造成了磨损区硬度值的降低而发生热磨损，就表明5CrMnMo这种热作模具钢不适宜做大型模具。当选用600～6500C温区内服役的热作模具如3Cr2W8V，3Cr3Mo3VNb这类热稳定性、热强性、屈服强度的热作模具钢比采用5CrMnMo更适宜。

在中国这个工业化进程还远没有完成的情况下，迫切需要努力缩短与先进制造水平的差距，作为企业必须从战略高度上来认识到热处理行业，不仅从设备、工艺，尤其是检测设备急需要不断吸取国内外新技术，更要看在热处理企业中实际生产应用的情况。这才是一个非常明智的举措，因为在加入WTO后按世贸规则有五年过渡期，对我国制造业而言，这是一个非常关键的时期，之所以说是关键是因为过渡期后我国制造业企业基本上将处于国外大公司同等竞争地位，而且在这过渡期中，我们尚可充分准备提升竞争力，所以这是对企业非常紧迫的要求。