里氏硬度计在现场检验中测量误差及分析

◎吴陆军 王恒 周传健

现场检验使用的里式硬度计只有一支笔那么大，检验人员可以在检验现场手持硬度计，直接在各个方向测试工件的硬度。测量方法简单，而且压痕小，携带方便，不受空间和方位的限制。里式硬度计在承压特种设备的现场检验中作用非常巨大。

一、里式硬度计的工作原理

在1978 年，瑞士的Leeb 博士利用了单片技术发明出一种新的硬度测试方法。其基本原理是利用具有一定质量的冲击体在一定的测试力下冲击工件表面，测量冲击体在距离工件表面1 mm 处的冲击速度和回弹速度，再由电磁原理感应出与速度成正比的电压，通过如下公式计算出里式硬度的大小：

式中：HL-里氏硬度值；vR-冲击体回弹速度；vA-冲击体冲击速度。

再通过硬度计微电脑将HL 可以换算成HB、HRB、HRC、HV 等。

二、里式硬度计的测量误差及如何避免

1.里氏硬度计本身产生系统误差。在现场检验时，因为硬度计冲头的发出冲击能量是一定的，被测工件的表面在受到硬度计冲头的冲击时，发生的形变是塑性变形还是弹性变形对测试结果会的影响是不一样的。如果工件的塑性变形大，弹性变形小，冲头回弹的速度就会变小。另一方面，如果硬度计的冲头硬度不够，当冲头撞击工件时，不仅工件会发生塑性变形，冲头本身也会发生塑性变形，这也导致冲头的回弹速度变小，使得硬度计测得的硬度值过低。如果冲头的直径太小，当冲头撞击工件时，将导致工件的塑性变形变大，消耗更多的冲头能力，因此测量的数值变小。由于vA 的能量是通过弹簧来实现的，若弹簧的弹力变大，冲击的次数太大，弹簧的弹力不足等，都会导致冲头撞击工件时工件表面的塑性变形发生相应变化，造成测量结果的不准确，出现测量误差。

2.硬度计冲头的冲击方向。里式硬度计在垂直向下的方向上测量时，会具有最大的冲击能量，测得的数值就相对准确。如果冲击方向不是垂直向下，冲头的重力和摩擦均会导致冲头的冲击和回弹速度会发生变化，从而影响vR 和vA 的比值，即测量值就会存在误差，因此测量前需要在硬度计上调整修正方向。在检验时测量方向最好选择垂直向下但是，现场检验可能需要在被测工件上的很多方向上进行测量，若在测量前忘记调整硬度计的冲击方向，直接进行测量，就会造成测量误差。

3.被测工件表面的清洁度。在现场检验时，若被测工件表面有油污存在，直接测量的话会导致测量数值偏低。这是由于硬度计冲头在空气介质和油污介质中的摩擦力不一样，油污介质会导致冲击能量损失更大，从而使得冲头的回弹速度降低，使测量数值比实际数值低。同时，被检工件表面的锈层和防腐层与工件本体的密度和硬度不同，它对冲头有一定的缓冲作用，也会使冲头能量损失，造成测量误差。因此，在现场测量硬度之前，必须先将工件表面的油污擦掉，并且打磨掉氧化层和防腐层，显露工件本体的金属光泽。但是打磨过程中会使部分氧化层和防腐层以粉尘的形式扩散在工件周围的空气中。一些粉尘落在被测工件表面上，测量时会粘附在冲头上进入硬度计导管，使得冲头摩擦力增大，造成测量误差。粘附的灰尘还会导致冲头的磨损加快，减少了硬度计的使用寿命。因此，在检验时，必须先把被测工件表面擦拭干净。

4.被测工件表面的粗糙度。里式硬度是测试硬度计冲头的冲击速度和回弹速度的动态物理量。工件表面的粗糙度对硬度的影响是通过改变冲头的回弹方向，影响了回弹速度，从而影响硬度值，特别是粗糙度较大的时候影响更明显。另一方面，它还通过对冲头的能量吸收来反映，不同粗糙度造成的能量损失是不同的。若工件的表面不平整，当冲头落在工件表面时，凸起的部位会发生变形，冲头的冲击能量被吸收。工件表面粗糙度越大，表面越不平整，冲头能量损失就越多，测得的硬度值就会偏小。相反，工件表面的粗糙度越小，冲头能量损失也越小。当然，无论粗糙度大或者小，测得的硬度数值都是偏低的。

5.测量点的间距。在现场检验过程中，每次测量都会在被测工件表面形成一个压痕，压痕形成后，压痕周围会形成相应的“冷作硬化”，从而增加了该区域的硬度值，因此如果在这个区域接着测量硬度，就会导致硬度偏高，所以下一个硬度测试点要在这个区域之外。因为里式硬度计不能进行压痕中心定位，所以压痕的间距通常需要由检验人员目测控制。当压痕太靠近被测工件边缘时，在靠近工件边缘的那部分压痕会发生变形，会阻碍冲头的回弹过程，从而降低了冲头的有效回弹速度vR，使测量数值偏小。

6.被测工件的厚度。在测量厚工件的硬度时，较大的厚度对里式硬度计的测量影响很小。然而，测量薄管工件时，由于厚度很小的工件的刚度会降低，在测量时很容易吸收冲头的冲击能量而产生弹性变形、塑性变形或振动，降低了冲头的回弹速度，导致测量数值偏低，有的甚至无法测试。但是，有时受现场试验条件的限制，工件的厚度不能满足要求，也不能使用其他测量方法。只能通过对比试验来分析同种材料的厚度变化与硬度值之间的关系，以便对薄壁工件的硬度值进行修正，以确保测量数值尽可能准确。

7.被测工件不规则性。在现场检验过程中，通常需要抽查被测工件上部分焊接接头的焊缝、热影响区和母材处的硬度。但是很多焊缝高且窄，还是弧形曲面，使用硬度计测量时，硬度计的支撑环无法紧密、稳定地贴临被测工件表面，从而影响了测试值的准确性。如果条件允许，可以打磨被测焊缝的表面，使其表面变得平坦光滑，从而容易进行硬度检验。当测量焊缝的热影响区硬度时，若被测工件焊缝两侧的热影响区向内凹陷，将加大冲头和被测工件之间的距离，从而降低了冲头的回弹速度，导致测试数值偏小。所以检验时应该选择焊缝成形性较好的部位进行硬度测量。

8.里式硬度计系统的稳定性。使用里式硬度计时，应该保证里式硬度计系统尽可能不受各种外界干扰，从而保证测量的稳定性。硬度计的稳定性包括环境、工件、冲击装置和操作过程等方面。稳定程度越高，测量的数值越精确。环境稳定性是指工件放置的场所不得有振动，但是检验时很难保证其稳定性。在稳定的环境中工件本身应保持稳定，不得有滑移、转动和摆动等位移上的变化。里式硬度计的冲击装置在被测工件上应稳定地放置，不应有相对晃动。冲击装置的端面要保证和被测工件表面紧密接触，这就要求检验人员在检验时抓住冲击装置的手要保持稳定，并向测试方向用力，这样冲击装置才能牢牢地压在工件上，此时检验人员的身体也应保持稳定。

三、结语

影响里式硬度计测量误差的因素很多，不但有硬度计本身系统误差，还有人员操作误差和环境造成的误差。为了保证检验时硬度测量的数值准确性，必须注意硬度计自身的影响，确保仪器是检定合格的，且在有效期之内。现场检验前，要先将硬度计在自带的试块上进行校准，还应定期检查里式硬度计的结构部件有无发生变化。若有变化，应及时修理或更换。在检验过程中，检验人员应不断学习标准，积累实操经验，提高操作技能，尽可能避免产生测量误差，测量出被测工件硬度最准确的数值。