便携式硬度计测试技术进展

张凤林

(沈阳天星试验仪器股份有限公司, 沈阳 110168)

硬度测试具有快速、不损伤材料和易于执行的特点，在钢铁、铸造、锻造、热处理以及有色金属加工等领域被广泛应用。

传统的硬度测试设备主要是台式硬度计，包括布氏、洛氏和维氏硬度计。硬度测试工作主要在实验室完成，钢铁行业主要采用传统的方式测试材料硬度，这种方式不仅浪费材料，而且耗费人力和时间，检测效率低。当需要对批量工件进行现场硬度测试时，常将台式硬度计放置在生产现场使用，这样可以满足一部分现场硬度测试的需求。台式硬度计不能移动，需要将工件拿到硬度计上进行测试，可检测工件的尺寸有限。对于大型、组装、不可切割及不便移动的工件，常采用锤击式布氏硬度计、里氏硬度计、摇臂式大型硬度计[1]或门式硬度计来进行硬度测试。然而，锤击式布氏硬度计和里氏硬度计属于动态加力的硬度测试方法，精度不高，重复性和可靠性差，经常不能满足要求。虽然摇臂式大型硬度计及门式硬度计采用了标准的洛氏硬度或布氏硬度测试方法，精度和可靠性都能满足要求，但是需要移动工件，检测效率较低，并且试验力只能是垂直向下的，不能检测不便移动和组装后的工件，故其仍然不能满足某些现场硬度测试的需要。

美国标准ASTM E110—2014StandardTestMethodforRockwellandBrinellHardnessofMetallicMaterialsbyPortableHardnessTesters(以下简称E110)定义了可以现场使用的便携式洛氏硬度计和便携式布氏硬度计。这些硬度计采用了ASTM E18—2020StandardTestMethodsforRockwellHardnessofMetallicMaterials(以下简称E18)或ASTM E10—2018StandardTestMethodforBrinellHardnessofMetallicMaterials(以下简称E10)规定的标准硬度测试方法，以及标准的试验力和压头，大部分仪器可以通过E18或E10规定的间接检验，其示值误差和示值重复性满足E18或E10的要求。这些硬度计便于携带，可以安装或夹在工件上，可以在现场准确检测工件硬度。

中国冶金行业标准YB/T 4285—2012 《采用便携式硬度计测试金属压痕硬度的试验方法》修改采用了E110。

便携式硬度计的标准体系已初步建立，包括国家标准、行业标准和国家计量检定规程(或校准规范)[2]。笔者结合标准E110，详细分析了各类便携式硬度计的技术来源、原理、结构、特点、主要性能、最新技术及其与标准的符合程度。

1 硬度测试标准

李自武等[3]分析了E18，E10与相应中国标准的不同点，并将E10与中国相应的标准进行了对比分析。

1.1 洛氏硬度测试标准

美国标准E18和中国标准GB/T 230.1—2018《金属材料 洛氏硬度试验 第1部分：试验方法》规定了洛氏硬度测试方法，具体规定了测试原理、试验力、压头、试样、测试程序等内容。

E18的附录A1和GB/T 230.2—2012 《金属材料 洛氏硬度试验 第2部分：硬度计的检验与校准》规定了洛氏硬度计的检验与校准方法，包括直接检验、间接检验和日常检验。直接检验是确定硬度计关键部件的参数是否处于允许范围内的过程，检验内容包括试验力、压痕深度，机械滞后及测试循环时间等；间接检验是周期性的使用标准硬度块检验硬度计综合性能的过程，检验内容包括示值误差和示值重复性；日常检验是在两次间接检验期间，在每日使用之前，用一块和待测硬度接近的标准硬度块监测硬度计性能的过程。

E18对洛氏硬度计的性能要求高于GB/T 230.2—2012，如：E18规定的试验力准确度高于GB/T 230.2—2012；E18规定的最大允许示值误差低于GB/T 230.2—2012。可以大致认为，硬度计如果符合E18，通常也符合GB/T 230.2—2012，反之则不成立。

1.2 布氏硬度测试标准

美国标准E10和中国标准GB/T 231.1—2018 《金属材料 布氏硬度试验 第1部分：试验方法》规定了布氏硬度测试方法[4]，具体规定了测试原理、试验力、球压头、压痕测量装置等内容。

E10的附录A1和GB/T 231.2—2012 《金属材料 布氏硬度试验 第2部分：硬度计的检验与校准》规定了布氏硬度计的检验与校准方法，包括直接检验、间接检验和日常检验。

E10和GB/T 231.2—2012对硬度计的性能要求相近，可以大致认为：硬度计如果符合E10，就符合GB/T 231.2—2012，反之亦然。

2 便携式硬度计标准E110

2.1 范围

美国标准E110定义了采用标准试验方法的便携式硬度计，其中包括便携式洛氏硬度计和便携式布氏硬度计，不包括便携式维氏硬度计，也不包括动态加力的里氏、超声及锤击式布氏硬度计。

2.2 原理与特点

(1) 便携式硬度计的测试原理、试验力、压头符合E18或E10的规定。

(2) 便携式硬度计的试验力和压痕深度测量装置的准确度不能满足E18或E10的公差要求。

(3) 部分便携式布氏硬度计不能保持试验力，使用中应严格按照制造商的说明操作仪器。

(4) 使用便携式硬度计进行硬度测量不符合E18或E10的要求。

2.3 检验

(1) 因某些参数不符合要求，所以便携式硬度计不能通过直接检验。

(2) 应按照E18或E10规定的方法和程序进行间接检验，示值误差和示值重复性应符合E18或E10的要求。

(3) 应按照E18或E10规定的方法和程序进行日常检验，示值误差和示值重复性应符合E18或E10的要求。

(4) 因为便携式硬度计移动时可能发生损坏，所以建议在每天使用过程中重复进行日常检验。

2.4 表示方法

在试验报告中，测试结果应标注/P，以表示是用便携式硬度计测得的。如：40 HRC/P表示使用便携式洛氏硬度计C标尺测得的洛氏硬度为40 HRC。

2.5 应用

便携式硬度计主要用于因尺寸、位置、测量点等因素的限制，而无法使用台式硬度计的场合。

3 U型便携式硬度计

U型便携式硬度计包括小型、C型、双表型3种类型，3种硬度计的工作原理相同，其共同特点是受力元件是一个U型弹性体，仪器通过检测U型弹性体在试验力作用下的变形量测量试验力的大小。

3.1 小型便携式洛氏硬度计

小型便携式洛氏硬度计外观如图1所示，由美国和中国公司生产。

图1 小型便携式洛氏硬度计外观

仪器由一个主机和一个底座组成，主机可以单独使用。主机的主框架是一个U型弹性体，力值指示表通过测量弹性体的变形量实现力值测量。U型弹性体的左侧是砧座，右侧是由加力手轮、测微螺杆和压头组成的测量主轴，测量主轴与砧座同轴。测量时，被测件放置于砧座与压头之间，仪器通过安装在测微螺杆上的毂轮测量压痕深度，直接读取洛氏硬度[5]。

小型洛氏硬度计用于测试尺寸较小的零件，不同型号仪器的最大量程为25～100 mm，其中最小型号的仪器量程为0～25 mm，其主机质量只有0.8 kg，该仪器轻巧、使用方便，可以像千分尺一样使用，其试验方法、试验力、压头都符合E18的规定，试验力和深度测量装置的准确度都不能满足E18和GB/T 230.2—2012的要求，仪器不能通过直接检验，可以通过间接检验，其示值误差和示值重复性可以满足GB/T 230.2—2012的要求，但是不能满足E18的要求，其性能明显差于台式洛氏硬度计。

3.2 C型便携式洛氏硬度计

C型便携式洛氏硬度计外观如图2所示，由美国和中国公司生产。

图2 C型便携式洛氏硬度计外观

C型硬度计的原理与小型硬度计相同，只是U型弹性体大小不同，安装位置不同。仪器的主框架呈C型结构，C型框架下端是可以上下移动的砧座，上端是测量头，U型弹性体位于测量头内，测量头下端是固定的压头罩，压头罩中间是压头。测量时，工件被砧座和压头罩夹紧，压头从压头罩中间伸出，压入工件表面，测得的洛氏硬度从毂轮上读取[5]。

C型硬度计是将工件夹紧之后再对其进行测试，可以保证压头垂直于工件表面，不会发生主轴晃动、工件移动等情况，测试的稳定性高、重复性好。仪器适用于测试尺寸较大的工件，不同型号仪器的最大量程为100～500 mm，最小型号仪器的量程为0～100 mm，质量为2.3 kg。

与小型硬度计相同，C型硬度计也采用标准的洛氏硬度试验方法、试验力和压头，力值和压痕深度测量装置的准确度不能满足E18和GB/T 230.2—2012的要求，仪器不能通过直接检验，可以通过间接检验，其示值误差和示值重复性可以满足GB/T 230.2—2012的要求，性能指标比小型硬度计好，比台式硬度计稍差。

当球压头直径为2.5 mm，试验力为1 839 N时，小型和C型硬度计具有布氏硬度计的功能，称为便携式布氏硬度计或布洛硬度计。仪器仍然不能通过直接检验，其中C型便携式布氏硬度计可以通过间接检验，其示值误差和示值重复性符合GB/T 231.2—2012的要求。但是，直径为2.5 mm球压头的便携式布氏硬度计一般会配备B型压痕测量装置(带测量刻度线的读数显微镜)，这一点不符合E10的规定。

3.3 双表型便携式洛氏硬度计

双表型便携式洛氏硬度计外观如图3所示。

图3 双表型便携式洛氏硬度计外观

双表型便携式洛氏硬度计有两个显示表分别指示力和硬度，仪器使用较麻烦。

4 组合型便携式洛氏硬度计

4.1 电子组合型便携式洛氏硬度计

电子组合型便携式洛氏硬度计外观如图4所示。

图4 电子组合型便携式洛氏硬度计外观

仪器由主机和一套4件不同尺寸的支撑臂组成，整体呈C型组合式结构。由于仪器较小，主轴移动范围有限，在测试不同尺寸工件时需要更换不同大小的支撑臂，仪器量程为0～100 mm，工件尺寸每变化25 mm需要更换一个支撑臂，支撑臂的一侧安装到主机上，另一侧的端部是砧座。测试时，工件被夹紧在砧座和压头罩之间，操作者转动手轮，压头压入工件表面，操作者根据显示器显示的力转动手轮，从而完成测试，在显示器上读取测得的洛氏硬度。

该便携式洛氏硬度计首次采用了力传感器、位移传感器、微处理器和数字显示器等电子技术，仪器测试结果分辨率大幅提高，尽管力和压痕深度的测试精度都有所提高，但是仍然不能满足E18的要求，不能通过直接检验。仪器可以通过间接检验，示值误差和示值重复性都能满足E18的要求，并且与小型和C型硬度计相比都有所提高，但是与台式洛氏硬度计相比还有差距，仍然属于E110定义的便携式洛氏硬度计。仪器比较突出的特点是采用了自制的电容式位移传感器，仪器非常小巧，很轻便，质量只有1.1 kg，适用于现场测量尺寸变化范围不大的小零件。

4.2 电动组合型便携式洛氏硬度计

电动组合型便携式洛氏硬度计是对电子组合型便携式洛氏硬度计的改进，其外观如图5所示。

图5 电动组合型便携式洛氏硬度计外观

仪器由主机和1套4件支撑臂组成，呈C型结构，质量为2 kg。仪器由锂电池供电，电机代替手轮自动加力，力传感器反馈力值信号，微处理器闭环控制试验力的加载。仪器试验力准确，位移测量准确，可以通过直接检验和间接检验，示值误差和示值重复性符合E18的规定，与台式洛氏硬度计相同。仪器属于符合E18的真正洛氏硬度计，不属于E110定义的便携式洛氏硬度计。

仪器还可配备一个质量为20 kg的台式测量支架(见图6)。支架可安放在生产现场的桌子或其他台面上，并可适当移动。测量支架由底台和立柱组成，立柱上设有安装卡口，仪器主机可以根据待测工件的尺寸，由一个安装板安装在不同的卡口上，成为组合式可移动的台式硬度计，可测试尺寸小于250 mm的工件。仪器操作方便，测试效率高，夹紧工件后按一下测试键即可自动完成测试程序，显示洛氏硬度，仪器适用于在生产现场检测单一尺寸的批量工件。仪器的缺点是：当工件尺寸变化较大时，需要进行较多的拆卸组装工作。

图6 便携式洛氏硬度计支架外观

仪器还有无线传输功能，试验数据可以通过蓝牙技术传输到打印机或计算机等设备上。

5 磁力便携式硬度计

磁力便携式硬度计利用磁力吸盘将硬度计固定在导磁的钢铁工件表面，不用支撑或移动工件，只接触工件一侧即可完成标准的洛氏或布氏硬度测试，可以用于因过大或过重而无法用其他硬度计测试的工件[6]。

5.1 机械磁力便携式硬度计

机械磁力便携式硬度计外观如图7所示，由中国公司生产。

图7 机械磁力便携式硬度计外观

该硬度计的特点是将C型便携式硬度计的测量头安装在两个磁力吸盘中间，利用磁吸力将硬度计固定在导磁的钢铁材料表面进行硬度测试。由于采用了新型导磁材料制造的永磁铁，因此硬度计在保证了足够磁吸力的前提下，还能保持小型化、轻便化，质量只有5.0 kg。操作步骤与C型硬度计相同，在固定仪器后，操作者利用手轮施加试验力，压头压入工件表面后，U形弹性体感应到试验力的变化，接着指示表指示出试验力，螺旋测微计配合毂轮测量出压痕深度，并在毂轮上显示洛氏硬度。待测工件只要具有规格大于60 mm×200 mm(长×宽)的平面，或直径大于60 mm的圆柱面都可以测试。

仪器的操作需要旋转手轮，配合指示表施加试验力，试验力和深度测量装置的准确度都不能满足GB/T 230.2—2012的要求，不能通过直接检验，属于E110定义的便携式洛氏硬度计。仪器可以通过间接检验，其示值误差和示值重复性可以满足GB/T 230.2—2012的要求。

磁力式硬度计的缺点是：待测工件需要有足够大的平面或圆柱面，不能测试复杂曲面，不能测试导磁性不好的奥氏体钢(如304不锈钢)或有色金属。

5.2 数显磁力便携式洛氏硬度计示例1

数显磁力便携式洛氏硬度计示例1的外观如图8所示，由中国公司生产。

图8 数显磁力便携式洛氏硬度计示例1的外观

该硬度计是对机械磁力便携式硬度计的改进。仪器利用力传感器测量试验力，提高了试验力的分辨率和准确度，测试过程中，试验力显示在显示器上。该仪器的原测微螺杆上有一个电子编码器，可将测微螺杆旋转一周的轴向位移量细分为5 000份，从而大大提高位移测量的分辨率和检测精度。与其他便携式洛氏硬度计不同的是，在操作仪器时，操作者可以直接加力到总试验力，保持试验力后直接卸载到零。操作过程大大简化，检测效率提高。仪器是在试验力达到98.07 N初试验力的瞬间立刻完成位移测量的，这一点尽管不符合GB/T 230.2—2012关于试验循环时间的规定，但是却可以在基本保证检测精度的前提下简化测量操作，满足便携式硬度计操作简单、检测效率高的要求。改进后的数显磁力硬度计体积和质量基本不变，质量为5.3 kg。

仪器属于E110定义的便携式硬度计，尽管力和位移的测量精度都有所提高，但是试验力的加载仍然是由人工完成的，试验力的准确度及试验循环时间都不符合GB/T 230.2—2012的要求，仍然不能通过直接检验，仪器可通过间接检验，其示值误差和示值重复性可以满足GB/T 230.2—2012的要求。

5.3 数显磁力便携式洛氏硬度计示例2

数显磁力便携式洛氏硬度计外观如图9所示，由意大利公司生产。

图9 数显磁力便携式洛氏硬度计示例2的外观

该硬度计由一个吊具的磁力吸盘、一个台式快速硬度计的测量头和一个带有提手的直角金属支架构成，这是一种单磁力吸盘结构。仪器由电感式位移传感器精确测量压痕深度，其采用两个大小不同且经过校正的弹簧，施加固定的初试验力和总试验力。

仪器的突出优点是操作简单，检测效率高。仪器固定后，将加力手柄压下，稍做停留，再抬起即可完成一次测量，在显示器上读取硬度。最快的测试时间可以达到4～5 s。仪器的缺点是比较重，移动不方便。磁力吸盘没有经过小型化、轻量化设计，其质量高达25 kg，现场使用很不方便。

与采用双磁力吸盘的数显磁力便携式洛氏硬度计示例1相比，单磁力吸盘的仪器可以有一些特殊应用，例如检测工件边缘、钢管端头或焊接后有错位的钢管焊缝。

该硬度计也是属于 E110定义的便携式洛氏硬度计，其试验力准确度和试验循环时间都不能满足E18的要求，不能通过直接检验。仪器可以通过间接检验，其示值误差和示值重复性可以满足E18的要求。

5.4 电动磁力便携式洛氏硬度计示例1

电动磁力便携式洛氏硬度计示例1的外观如图10所示，由中国公司生产。

图10 电动磁力便携式洛氏硬度计示例1的外观

该硬度计由主机和电子控制箱两部分组成，采用交流电源供电，电磁铁将仪器固定在钢铁材料表面，利用电机驱动主轴施加试验力，位移传感器测量压痕深度，力传感器测量试验力，通过微处理器反馈控制电机加力，实现了试验力的闭环控制，试验力准确，位移测量准确，可以通过直接检验和间接检验，示值误差和示值重复性符合GB/T 230.2—2012的要求。仪器实现了全自动检测，可一键完成全部测试程序，得到洛氏硬度，操作十分简单。这是一台真正符合GB/T 230.2—2012的便携式洛氏硬度计。仪器的主要技术参数与高端台式硬度计接近。

仪器的缺点是不够便携，仪器主机质量为10.5 kg，另外还有一个电子控制箱，现场使用需要有交流电源。

5.5 电动磁力便携式洛氏硬度计示例2

电动磁力便携式洛氏硬度计示例2的外观如图11所示，由中国公司生产。

图11 电动磁力便携式洛氏硬度计示例2的外观

该仪器是对国产数显磁力便携式洛氏硬度计示例1的改进。仪器采用锂电池供电，电机自动加力代替手轮加力，力传感器测量力的大小，经过微处理器控制加力电机，实现试验力的闭环控制。仪器还是采用螺旋测微计加电子编码器的组合测量压痕深度。仪器测试方法非常简单，按一下测试键即可自动完成全部测试程序，显示洛氏硬度。仪器主要技术参数优于GB/T 230.2—2012和E18的规定，精细的小型化及轻量化设计使该仪器在增加了两节大容量锂电池和电机之后，体积和质量基本不变，其质量仍然是5.3 kg。满足了便携式硬度计小型化、轻量化的要求。该仪器还有较强的续航能力，一次充电可连续检测超过400次。利用仪器的USB接口可将测量数据导出。

该仪器可通过GB/T 230.2—2012和E18的直接检验和间接检验，示值误差和示值重复性符合标准要求，是真正的洛氏硬度计，不属于E110定义的便携式硬度计，其主要性能参数与高端台式洛氏硬度计无差别。

只要将该磁力便携式洛氏硬度计球压头直径更换为2.5 mm，再采用1 839 N的试验力，就可具备布氏硬度计的功能，成为便携式布氏硬度计或布洛硬度计。多数磁力便携式布氏硬度计的示值误差和示值重复性符合GB/T 231.2—2012的要求，但是不符合E10的要求，因为采用直径为2.5 mm球压头的便携式布氏硬度计，一般会配备B型压痕测量装置，这一点不符合E10的规定。电动磁力便携式布洛硬度计示例2可以配备分辨率为2.5 μm的A型压痕自动测试装置，其示值误差和示值重复性可以同时符合GB/T 231.2—2012和E10的要求。

6 液压便携式布氏硬度计

6.1 液压便携式布氏硬度计

提到便携式布氏硬度计，业内都会首先想到液压便携式布氏硬度计，这种硬度计在世界上影响很大，是公认的便携式布氏硬度计的主流产品，应用非常广泛，迄今已应用了80多年。

液压便携式布氏硬度计外观如图12所示，由美国、英国和中国公司生产。

图12 液压便携式布氏硬度计外观

该仪器由一个测量头和一个升降支架构成，测量头安装在升降支架的前部，由一个摇柄控制测量头的上下移动。测量头由液压集成块和压力表组成，液压集成块是一个小型的液压系统，如千斤顶一样，依靠操作者反复扳动加力杆加力，可以在油缸下部的直径10 mm球压头上获得高达29 420 N的试验力。仪器质量为13.7～14 kg。

仪器的液压集成块上有一个释放阀，该释放阀在出厂前试验力被精确校准到29 420 N，当试验力达到29 420 N时，这个阀会打开，液压集成块内高压区的液体会流入低压区，压力不再升高。当一次加力动作完成后，由于压头逐渐压入试样表面，液压缸体会向下移动，缸内压力会下降，另外，液压系统还存在内泄作用，缸内压力会进一步下降，从指示表上可以看到，当试验力达到29 420 N时，指针会快速下降，直到下次加力时可再次达到29 420 N。

该仪器的试验力不能保持，试验力在加载过程中大幅波动，这一点不符合E10关于保持试验力和试验力准确度的规定，不能通过直接检验。仪器可以通过间接检验，其示值误差和示值重复性可以满足E10的要求，该硬度计属于E110定义的便携式布氏硬度计。

6.2 电动液压便携式布氏硬度计

电动液压便携式布氏硬度计外观如图13所示，由中国公司生产。

图13 电动液压便携式布氏硬度计外观

该新型硬度计是对液压便携式布氏硬度计的改进。仪器由锂电池组供电，由电机驱动微型液压泵自动连续加力代替了人工扳动加力杆的间歇加力，其采用微处理器自动控制加力过程，试验力可以保持，试验力的准确度和硬度测试精度都符合GB/T 231.2—2012和E10的规定，可以通过直接检验和间接检验。其性能指标与台式布氏硬度计无差别。仪器取消了加力杆，一键即可自动完成试验，操作简单，测试效率高，可大幅降低劳动强度。

仪器根据小型化、轻量化的原则，优化了结构设计，增加了6节大容量锂电池组成的电池组，使用电机、微型液压泵之后，整机的质量保持不变，仍然是13.7 kg。

7 结语

美国标准E110定义了便携式洛氏硬度计和便携式布氏硬度计，这些硬度计采用标准GB/T 230.1—2012，GB/T 231.1—2018，E18和E10规定的试验方法、试验力和压头，但是通常试验力和测深装置的准确度不能满足标准要求，有些便携式布氏硬度计还不能保持试验力。这些便携式硬度计一般不能通过标准GB/T 230.2—2012，GB/T 231.2—2012，E18和E10规定的直接检验，但是其中的大部分硬度计可以通过间接检验，其示值误差和示值重复性可以满足标准要求。

与台式洛氏硬度计和布氏硬度计相比，大部分便携式硬度计在进行间接检验时可以满足标准规定的示值误差和示值重复性要求，只是指标会偏低一些。由于现场使用条件不同于实验室，试验力的加载和控制是由人工完成的，试验结果受操作者个人因素的影响，所以实际使用中的便携式硬度计的示值误差和示值重复性往往会出现超差情况，另外，现场使用的便携式硬度计故障率会高于台式硬度计。

电动便携式洛氏硬度计由锂电池供电，用电机加力代替手动加力，采用了力传感器、位移传感器、微处理器等先进的电子技术。该硬度计采用力传感器闭环控制的加力方式，试验力准确，压痕深度测量也准确。

电动便携式布氏硬度计由锂电池组供电，其采用电机驱动微型液压泵连续加力，代替了人工扳动加力杆的间歇加力，在直径为10 mm球压头上施加29 420 N的试验力，并保持规定的10 s时间，试验力准确度符合标准要求。

上述电动便携式洛氏及布氏硬度计可以通过直接检验和间接检验，是真正的洛氏硬度计和布氏硬度计，其主要技术参数符合标准GB/T 230.2—2012，GB/T 231.2—2012，E18和E10的规定，与台式硬度计无差别，在硬度测试准确度和自动化程度方面，其与高端台式硬度计相当。

电动便携式硬度计可以为人们提供与实验室台式硬度计同样准确、可靠、符合规定的硬度测试数据。该硬度计可以在生产现场使用，在不损坏材料的前提下，快速、方便、准确地完成硬度测试。