里氏硬度计的发展现状与趋势

桑国旗

(时代集团公司 北京时代之峰科技有限公司, 北京 100085)

里氏硬度计的发展现状与趋势

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简要介绍了里氏硬度计及其特点、适用场合和发展现状。根据里氏硬度测试过程的3个主要环节(里氏硬度的测试、硬度的转换、测试数据的处理和应用)，分析了里氏硬度计当前存在的几个主要问题，如缺乏定制硬度转换表、对大行业适应性不强、难以集成到现代化生产线等。并依据这些问题，综合考虑现代化生产的特点，提出了里氏硬度测试装备工具化、定制硬度转换表、智能化、行业化、自动化等几个发展方向。

里氏硬度计;发展现状；存在问题；硬度转换；发展方向

里氏硬度计自问世至今，已有近40 a(年)的发展历史，并因其无可替代的优势，在金属材料的硬度检测方面有着相当广泛的应用。近些年来，里氏硬度计的发展遭遇瓶颈，仪器中存在的一些问题始终未能得到根本解决，产品同质化严重，发展方向并不清晰。笔者主要分析了里氏硬度计发展过程中存在的一些问题，并提出了解决方法，同时根据现代化大生产的需要，对里氏硬度计未来的发展方向提出了设想。

1 里氏硬度计

里氏硬度计是一种测定金属材料硬度特性的计量检测仪器，它以里氏硬度试验为理论依据，结合先进的微电子技术研制而成。里氏硬度计数字显示硬度值，其体积小、重量轻、测试简单，具有携带方便、检测效率高、对试验表面损伤轻微等优点。里氏硬度计可用于硬度范围很宽的金属材料试验，特别适用于测定大型、重型、不宜拆卸、空间狭小、不同方向、特殊部位等工件的硬度检测。

1.1 里氏硬度计的理论依据和工作原理

里氏硬度计的理论依据是里氏硬度试验。里氏硬度试验是由瑞士LEEB博士在1978年首次提出的，其基本原理是：用规定质量的冲击体在弹力作用下，以一定的速率冲击试样表面，用冲击体在距试样表面1 mm处的回弹速率与冲击速率的比值计算试样硬度。计算公式如下[1]

式中：HL为里氏硬度；va为冲击体的冲击速率；vb为冲击体的回弹速率。

在相同的测试环境和测试条件下，冲击体的冲击速率基本一致，对于硬度较高的试样，冲击体的回弹速率较大，因此得到的里氏硬度也较大。由原理可见，与布氏、洛氏、维氏等静态试验方法相对，里氏硬度试验属于动态试验方法[2]。

里氏硬度计是根据里氏硬度试验理论，将冲击体的速度信号转换为电压信号(图1)，再利用微电子技术进行信号采集,经过数据处理后得出里氏硬度。

图1 冲击过程示意图Fig.1 Schematic diagram of the impact process

在里氏硬度计的实际应用中，经常要将数据转换为布氏、洛氏、维氏、肖氏等其他硬度，这就需要用到硬度转换表。硬度转换表给出的是两种硬度之间的对比关系，是通过大量的对比试验得出的。

1.2 里氏硬度计的特点和适用场合

1.2.1 里氏硬度计的特点

里氏硬度计相比其他的硬度计，有其无可替代的优点：①可检测台式硬度计无法检测的工件(详见1.2.2节)；②便携；③检测效率高；④试样表面损伤轻微。

1.2.2 里氏硬度计的适用场合

里氏硬度计在金属材料硬度检测方面有着非常广泛的应用，在保证产品质量、进行失效分析等方面发挥了重要作用。里氏硬度计的适用场合主要有：①模具型腔；②重型工件；③轴承及其他零件；④压力容器、汽轮发电机组及设备的失效分析；⑤试验空间很狭小的工件，如凹槽、内孔等部件；⑥要求对测试结果有正规的原始记录；⑦技术材料仓库的材料区分，如退火或调质钢；⑧大型工件大范围内多处部位的快速检验。

2 里氏硬度计的发展现状及存在的问题

2.1 里氏硬度计的发展

在LEED博士提出里氏硬度试验理论后,1979年第一台里氏硬度计在瑞士诞生。在中国，第一台里氏硬度计由时代集团公司于1988年研制成功。多年来，里氏硬度计已有了长足的发展。

2.1.1 里氏硬度计的分类

里氏硬度计大致可分为两大类：分体式里氏硬度计(图2)和一体化里氏硬度计(图3)。其中，分体式里氏硬度计可接多种类型的冲击装置[3]，硬度测试范围宽，功能强大；一体化里氏硬度计的冲击装置与主机集成为一体，便携性良好，使用简单方便。两类硬度计各有优点，互补并存，长期以来相对独立发展。

图2 分体式里氏硬度计形貌Fig.2 Morphology of the split Leeb hardness tester

图3 一体化里氏硬度计形貌Fig.3 Morphology of the integrated Leeb hardness tester

后期研制的里氏硬度测试系统(如时代TIME5200里氏硬度测试系统，由1台主机和多达10台不同类型的从机通过无线组网形成)结合了分体式里氏硬度计和一体化里氏硬度计的优点，是一种全新的测试系统，但在仪器单体上仍可归属到上述两大分支。

2.1.2 新技术在里氏硬度计上的持续应用

里氏硬度计是与微电子技术及其他应用技术同步发展的，越来越多的新技术被应用于里氏硬度计产品上。主处理器的集成度和运算速率在不断提高，体积和功耗则越来越小，模拟电路的性能和精度也都在提升，使得里氏硬度计的测试精度更高、性能更好、体积更小；通用串行总线(USB)等接口技术的普及应用，使得数据传输更加快速；存储介质的丰富使大容量数据存储成为可能；显示装置从最早的段码液晶发展到后来的点阵/彩色点阵、有机发光二极管(OLED)等，使显示内容更加丰富细腻；无线通信技术如蓝牙、无线局域网(Wi-Fi)等为仪器通过无线组网实现智能化创造了条件；等等。

所有这些新技术在里氏硬度计上的持续应用，使得里氏硬度计的测试精度更高、可靠性更好、体积更小、重量更轻、功能更强、外观更时尚、显示内容更丰富，并可通过无线技术与其他设备联网，为里氏硬度测试的智能化和自动化提供了可能。

2.2 里氏硬度测试的3个主要环节

2.2.1 里氏硬度的测试

里氏硬度测试是依据里氏硬度试验原理，通过冲击装置及信号处理与测量电路，把被测工件的材料硬度特性量化为里氏硬度。该环节是里氏硬度测试的核心部分，随着微电子技术的发展，目前里氏硬度测试的精度、重复性等指标均已能满足实际生产过程的需求。因此，该环节虽然是里氏硬度测试的核心部分，但已经不是发展的重点。

2.2.2 硬度的转换

实际生产过程中，经常会要求检测工件的布氏、洛氏、维氏、肖氏等其他硬度，这就涉及到里氏硬度与其他硬度的转换[4]。这种硬度之间的转换关系是通过大量的对比试验得出的，并固化在里氏硬度计固件里，这种对比关系与被测材料相关。里氏硬度与其他硬度转换通常有以下两种方式。

(1) 通用转换

将测定的里氏硬度带入通用的按材料大致分类的换算表中，得出相应的其他硬度。这些换算关系是用大量有代表性的材料进行对比试验，将试验结果经过数据处理后得出的对比数据或对比曲线。里氏硬度计中保存的就是这种通用换算关系。通用转换过程无须用户介入，用户只需在测试前对里氏硬度计进行必要设置，选择适合的测试材料和硬度制式。对比试验的材料范围很广，因此通用转换的硬度测试范围也很宽。

(2) 特定转换

用代表现场测试的特定材料作为试样，对里氏硬度与其他硬度作对比试验，将试验结果进行数据处理得出里氏硬度与其他硬度的对应关系。这种特定转换可以是一个小硬度范围内的、全新的转换关系；也可以是以现有的某一通用转换数据表为基础，对转换误差较大的某一段对比数据进行修正，重新生成转换表[5]。

2.2.3 测试数据的处理及应用

该环节决定了里氏硬度测试数据的实际应用主要依赖于生产流程，同时还与具体行业以及具体使用单位的自动化程度、信息化程度等有很大关系。如测试数据是用来做什么，是用来判定工件合格与否，还是用来分析被测工件的硬度均匀性，检测结果是否留存备案，是否需要追溯，是否需要与被测工件的其他检测指标数据整合，是否参与远程监控及智能化控制，等等。该环节是最贴近实际应用的部分。

2.3 里氏硬度计存在的几个问题

2.3.1 “测值不准”的问题

“测值不准”，是用户在使用里氏硬度计的过程中经常会遇到的问题，产生“测值不准”的原因基本上有两大类。

第一类：不适合的测试条件及不规范的测试操作，直接影响的是里氏硬度测试值。里氏硬度测试的操作过程看似简单，但如果不能满足规定的测试条件，或者测试操作不规范，就会影响里氏硬度试验的根本，产生较大的测试误差，引起测值不稳定，甚至导致错误的测试数据和结论。

第二类：除第一类问题外，里氏硬度测试值就应该是准确的，所谓的“测值不准”通常是在硬度转换时产生了较大的“转换”误差[6]。究其原因，材料的硬度是与其他一系列物理指标相关的，而通用的硬度转换表，只是预先针对某几种材料进行了硬度对比试验。实际应用中，被测工件的材料多种多样，即使为同一类型的材料，也不可能和通用转换表的“模板”完全相符，从而产生较大的“转换”误差，而这种误差在用户看来就是“测试”误差，是仪器“测值不准”。

针对第一类问题的解决办法是，操作者要通过必要的培训学习，熟悉里氏硬度试验的原理以及对测试条件的要求[7]。比如：测试环境应无振动、无强烈磁场、无腐蚀性介质及严重粉尘；要根据工件的实际状况选择适合的冲击装置类型，对有弧度的测试表面要选择适合的异型支承环；如果工件质量太小或者属于板材、线材件，则需要耦合在其他物体表面或提供稳定支承；被测表面的硬化层厚度、表面粗糙度等均要符合要求；测试操作要保证冲击装置稳定地压在被测工件表面，冲击过程应该稳定，不允许单手操作；测试点之间不能距离太近，以免受到硬化点的影响，测试点也不能距离工件边缘太近；等等。总之，要熟知里氏硬度试验对测试条件的要求，保证测试过程的规范。

针对第二类问题的解决办法是，要定制用户自己的硬度转换表，或者通过对某种材料的硬度转换曲线进行修正。对于有代表性的大行业，需要对较宽硬度范围的特定材料进行测试，这种情况需要行业用户和硬度计生产厂家共同进行大量的对比试验，根据对比试验数据对通用的某种材料的硬度转换曲线进行修正，使修正后的硬度转换表更符合行业特性；而对于硬度范围较小的测试材料，则可由用户独立完成，通过简单的硬度对比试验，然后在里氏硬度计上生成用户定制的硬度转换表。

综上，要解决“测值不准”的问题，首先要弄清楚“测值不准”的原因，然后根据实际情况进行解决。

2.3.2 “一机万能”的问题

“一机万能”的问题，即“行业定制”的问题。将一台装有通用硬度转换表的标准版里氏硬度计用在所有行业，满足所有测试场景是不现实的，因此必须细化行业需求，在传统的里氏硬度计基础上推出依托大行业的定制机型，主要表现在两个方面：①根据测试材料定制更准确的硬度转换表(以通用转换表修正为主)；②根据大行业的特点定制里氏硬度计的功能，提高检测效率。

2.3.3 “数据孤岛”的问题

“数据孤岛”的问题,即里氏硬度计如何实现智能化和信息化的问题。传统的里氏硬度计只是一个仪器单体，是一个相对孤立的设备，所有设置操作均由操作者在设备上实现，测试数据也是存储到本机，然后通过打印机打印结果，或者通过数据线传输到上位机，以实现简单的测试数据输出功能。相对于自动化和信息化的迅猛发展，里氏硬度计的现代化生产依然滞后，已不能满足诸如远程控制、无人值守的定期检测、融入云端大数据、设备状态的侦测、工件的综合诊断等功能，大大抑制了金属工件制造与加工过程的生产效率。

3 里氏硬度测试设备的发展趋势

里氏硬度计作为金属材料的硬度检测设备，应尽可能满足实际的生产过程需求，通过分析里氏硬度计的典型使用场合以及现存的问题，综合考虑技术发展水平和现代化进程，在此浅谈一下里氏硬度计的几个发展趋势。

3.1 工具化的便携式里氏硬度计

便携是里氏硬度计相比其他硬度计最大的优势之一。对于诸如仓库材料区分、已安装工件的失效分析、空间狭小及多种方向的硬度测试等应用场合，工具化的里氏硬度计是最适合的。工具化就要求仪器体积小、重量轻、便于携带与握持、操作简单、不带多余功能等。可采用一体化里氏硬度计，设计时着重考虑上述要求，以现场测试为主。

3.2 具备用户自定义转换表的里氏硬度计

对于在使用过程中遇到的“测值不准”的第二类问题，在硬度范围不大而硬度转换误差较大的情况下，可由用户通过简单的硬度对比试验，生成定制的硬度转换表来解决该类问题，使“测值”更准确。以时代TIME5306型里氏硬度计为例，用户可定制多达5种硬度转换表(自定义材料)，对比试验只需2～5个测试块，用户操作简单方便。

3.3 里氏硬度计的智能化与虚拟化

智能化是解决里氏硬度计“数据孤岛”问题的有效途径。在里氏硬度计上增加无线模块，使里氏硬度计加入物联网，打通数据通道，成为智能型里氏硬度计。时代TIME5352型里氏硬度计(图4)内置Wi-Fi功能模块，依托时代智能化云端测试系统，可快速连接外部Wi-Fi网络，并可通过手机端、电脑端的软件平台实现远程控制、数据共享、数据分析及灵活的报表打印、远程视频协助、设备端软件远程升级、APP在线升级、消息推送、设备定位管理、在线帮助及售后支持等智能化的功能。智能化的里氏硬度计不再是一台独立的设备，而可以依托强大的智能化测试系统，实现更为强大的功能。

图4 智能型里氏硬度计形貌Fig.4 Morphology of the intelligent Leeb hardness tester

而虚拟化的里氏硬度计则是在手机或电脑上添加信号采集硬件模块(智能冲击装置)及基于图形用户界面(GUI)的应用软件，然后借助手机或电脑设备，实现强大的运算功能及通信功能。

3.4 依托大行业的定制里氏硬度计

里氏硬度计必将打破一台标准机检测天下硬度的“万金油”形象，将来会依托大行业，针对具体大行业的实际生产流程，制定适合行业的检测方法，生成更准确的硬度转换关系。时代TIME5303型轧辊专用硬度计即是对轧辊生产行业的一种定制机型。通过对大量的轧辊试样进行对比试验[8]，用试验数据对某通用转换表进行修正，提高了轧辊工件的肖氏硬度转换精度(里氏硬度转换为肖氏硬度)，已经在轧辊生产行业获得了更加广泛的应用。另外，里氏硬度计在功能上如何适应大行业也需要给予充分考虑。

3.5 用于自动化生产线的里氏硬度测试单元

自动化生产线具备提高劳动生产率、提高产品质量、改善劳动条件等优势，在机械制造业中就有铸造、锻造、冲压、热处理、焊接、切削加工、机械装配等诸多生产线，自动化生产线是现代化生产的必然趋势。对于自动化生产线上工件的质量控制也必然要求自动化，因此无人值守、可实现自动测试的里氏硬度测试装备会大有作为，将来可作为标准“里氏硬度测试单元”，集成到自动化生产线上，成为生产大系统的众多感知器官之一，大大提高检测效率和生产效率。

4 结束语

里氏硬度计问世近40 a(年)来，因其不可替代的优势，在金属材料的硬度检测领域得到了广泛的应用。随着整个社会科技的不断进步，里氏硬度计也必须要跟随时代的发展，各种新思维和新技术在里氏硬度计上的应用，必将使里氏硬度计能够更加适应现代化生产过程，并发挥出更大的作用。

[1] GB/T 17394.1-2014 金属材料 里氏硬度试验 第1部分：试验方法[S].

[2] JJG 747-1999 里氏硬度计检定规程[S].

[3] JB/T 9378-2001 里氏硬度计[S].

[4] 齐向前.不同热处理状态下P92钢里氏硬度值与布氏硬度值的对比[J].理化检验-物理分册,2015,51(9):612-614,648.

[5] 北京时代之峰科技有限公司.里氏硬度计测试方法讲义[M].北京:[出版者不详],2012.

[6] 杨超,汤淳坡,孙雄.低硬度P91钢管件布氏硬度转换值存在偏差原因分析[J].理化检验-物理分册,2015,51(9):608-611.

[7] 桑国旗.里氏硬度计的发展及正确选型与正确使用[J].热处理,2005,20(4):50-55.

[8] GB/T 13313-2008 轧辊肖氏、里氏硬度试验方法[S].

Development Status and Trend of Leeb Hardness Testers

SANG Guoqi

(Beijing TIME High Technology Corp., Ltd., TIME Group Inc., Beijing 100085, China)

Leeb hardness tester and its features, its typical applications and development status were introduced briefly. According to the three main parts of the Leeb hardness measurement process (measurement of Leeb hardness, conversion to other hardness and handling and application of measurement data), several current problems of Leeb hardness testers were analyzed, such as lack of custom hardness conversion tables, weak adaptability to large industry, being difficult to be integrated into modern production lines, etc. Taking into account these problems and the characteristics of modern production, several development directions of Leeb hardness testers were put forward, such as instrumentalism, custom hardness conversion tables, intellectualization, industrialization, automation, etc.

Leeb hardness tester; development status; existing problem; hardness coversion; development direction

10.11973/lhjy-wl201706006

2017-02-21

桑国旗(1975-)，男，硕士，主要从事里氏硬度计的产品规划及研发，sangguoqi@timegroup.com.cn

TH873.5; TG115.5+1

A

1001-4012(2017)06-0400-05