洛氏硬度测量粗大误差的原因及措施

2019-11-26胡剑锋尹中秋黄天勇

热处理技术与装备 2019年5期

胡剑锋，尹中秋，毛喆，黄天勇

(1.中国人民解放军驻一二四厂军事代表室，河南郑州 450005； 2.航空工业郑飞公司热表厂，河南郑州 450005)

在热处理生产过程中，硬度测量是必不可少的环节，其中洛氏硬度因操作便捷，测量值可直接在表盘上或数字显示，在大量生产中广泛使用。洛氏硬度涉及A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T共11项标尺，虽然各标尺所用的载荷和硬度计的针头不同，其测量原理都是一致的。在硬度测量时，存在不可避免的测量系统误差，但也存在一定的粗大误差，粗大误差是指超出规定条件下的测量误差，对测量结果产生明显歪曲的数值[1]。即在日常对制件进行洛氏硬度测量时，不是因为组织不均匀的原因，却出现个别测量值偏高或偏低的现象。

1 洛氏硬度测量原理

洛氏硬度试验原理图见图1。

图1 洛氏硬度试验原理图Fig.1 Principle diagram of rockwell hardness test

从图1的洛氏硬度试验原理图可以看出，洛氏硬度测量时，是在初试验力F0及主试验力F1作用下，将硬度计针头压入制件表面，然后卸除主试验力F1，在初试验力F0下测量残余压入深度h计算洛氏硬度。

在F0和F1作用下，将硬度计针头压入制件，此时制件产生了弹性变形和塑性变形。针头达到一定深度，卸除F1后，此时发生弹性变形的部分恢复原状，针头回复一定深度，此时的残余压入深度是制件发生塑性变形所产生的。可以看出，洛氏硬度是以压痕塑性变形深度来确定硬度值指标。塑性变形越大，则残余压入深度也大，对应的硬度值低，反之，塑性变形小，残留压入深度则小，对应的硬度值也高。

2 影响测量粗大误差的因素

影响洛氏硬度测量结果的偏差因素比较多，本文重点讨论在生产操作中造成的测量误差，对硬度计自身的故障造成硬度测量结果的偏差在此不进行论述。常见造成测量粗大误差的因素主要有以下几种：

1)压头接触面增大

洛氏硬度计的压头为圆锥或钢球，随着圆锥角或球面半径的增大，增加了压头与制件的接触面积，使在测试过程中制件对压头的变形阻力增大，产生的塑性变形小，所得到的残余压入深度减小，所测的硬度值偏高。导致这种现象常见的有以下两种情况：①硬度计针头扎入前期测量的位置；②制件表面粗糙，在测量时硬度计针头扎入制件表面波谷处。

这两种情况都会导致硬度测量时，载荷F0的初始压入深度增大，造成压头与制件接触面增大，而得到变形阻力增大、残余压入深度变小，出现硬度值偏高的结果。

2)制件局部塑性变形大

进行洛氏硬度测量时，因测量部位局部塑性变形大，造成所测量出的硬度值比真实值低。常见情况有：①在制件圆面上测量；②测量点相邻近；③测量点距制件边缘过近。

生产实践表明，在对同一制件在圆面上进行硬度测量时，比在其平面上测量的低，并且对于同一硬度的圆柱体试样，直径越小，即曲率半径越小，曲面上压痕周围所减少的体积比平面试样的越多，其变形抗力越小，则反映出的硬度值越低[2]。多次测量时，因原测量点已发生塑性变形，再次测量时，若与前次测量点过近，制件整体抵抗压头变形能力变小。同理，测量点若距制件边缘近，也会导致测量部位局部塑性变形大。

3)弹性后效的影响

从前面的洛氏硬度测量原理中可以看出，洛氏硬度是以残留塑性变形的深度在表征硬度值，在测量过程中，制件的弹性变形在主试验力F1的卸载后恢复，对测量的结果不产生影响。理论上，完整弹性体在加载时立即变形，卸载时立即恢复原状。脆性材料的物体，在应力未超过比例极限以前，可以作为近似的完全弹性体；塑性材料的物体，在应力未达到屈服极限以前，也可以作为近似的完全弹性体[3]。因此，在洛氏硬度测量时，应力和弹性应变同相位，二者完全符合胡克定律，呈线性关系，与时间无关。

但实际生产中，材料在卸载后，存在应力与弹性应变二者之间不同相位，不呈线性关系，与时间有关。这种弹性应变落后于外加应力，并和时间有关的弹性变形称之为弹性后效或滞弹性。弹性后效是在弹性变形中出现的非弹性行为，使洛氏硬度测量卸除主载荷后，弹性变形没有完全恢复，使残余压入深度比正常深，则得出的硬度结果比真实值偏低。在对一般钢件进行洛氏硬度C标尺测量时，因操作不当引起的弹性后效会导致测量值比真实测量值低2～3 HRC，但对铜合金QBe2的测试中偏差更为明显，这是因为弹性后效的影响与材料的弹性模量有关，QBe2的弹性模量为128 GPa，比一般钢材弹性模量200～230 GPa小很多，这也就是说在同硬度的钢材和QBe2分别进行HRC测试时，QBe2制件的弹性变形更大，在试验力F1作用下压入深度更深，这点在测量时从表盘中就可看出。同时，QBe2经热处理后，能取得较好的弹性极限。QBe2对弹性后效的敏感性比钢件大很多，有时会导致偏差达8～10 HRC。

影响弹性后效的因素有很多，如组织均匀性、温度、切向应力等，在硬度测量过程中，最为明显的影响因素是切向应力。理论上，在进行洛氏硬度测量时，是在静态地进行，试验时应力的施加和撤除都非常缓慢，并且压头轴线与所测制件表面垂直，在测量过程中，不产生切向应力，在洛氏硬度测量时不会产生弹性滞后的现象。但若操作不当，使在测量中产生切向应力，则会使制件产生明显的弹性后效现象。导致测量中产出切向应力的原因有以下几种：①制件放置不平稳。制件本身不平、制件与硬度计所用的支撑垫块不合适及制件表面有颗粒污物等，都会导致制件放置不平稳，使硬度计在测量过程中会出现位移现象，产生切应力；②制件有油污。制件表面的油污会使硬度计压头在测量时产生位移，产生切应力。同时，油污的存在还对硬度计压头有一定润滑作用，使硬度计压入制件深度增加，使硬度值偏低；③制件粗糙度大。硬度计试验力作用在较为粗糙的制件表面时，会因制件表面抵抗试验力的大小和方向的不一致，必然会产生切向应力。

4)硬度计操作不规范

对于洛氏硬度计，施加载荷时存在预载荷和工作载荷两个过程[4]，若因人为操作将加载速度过快，形成一定的冲击力使试验力超出规定值，将会导致压痕深度增加。另外，总试验力保持时间过长，所测硬度值低。这是由于热处理制件的组织都为多晶体，在塑性变形时，各晶粒不是同时开始的，而是分先后相继进行的[5]。长时间对制件保持总试验力，会使制件塑性变形增大，残留压痕深度变大。

3 控制措施

对于减少洛氏硬度测量中的粗大误差，应从工艺前期策划、规范操作、控制待测制件质量等方面进行控制。

1)工艺策划

热处理技术人员应对生产中需进行硬度测量的制件指定待测部位和所用的测试标尺，应从以下几方面进行考虑：①待测部位应选平面，并要保证制件待测部位的厚度应符合GBT 230.1—2009《金属材料洛氏硬度试验》中的规定：“对于用金刚石圆锥压头进行的试验，试样或试验层的厚度应不小于残余压痕深度的10倍；对于用球压头进行的试验，试样或试验层的厚度应不小于残余压痕深度的15倍”。若必须选取圆面，可与机加技术人员协调热处理前的制件余量，在进行洛氏硬度测量时，可将圆面打磨成小平面后进行测量；②对于大型制件的洛氏硬度测量，在测试中很难避免制件重心在硬度支持台上，经常会出现制件在测试中偏移而操作测量粗大误差。对此可在大制件留有余量，热处理后在制件上割取相应试样，对试样进行洛氏硬度检测；③对于形状结构特殊的制件，热处理人员应设计相应的测量工装，保证制件在测试过程中放置平稳。

2)规范操作

规范操作是准确测量的必要保证，在进行洛氏硬度时，应注意以下方面：①规范硬度计期间检查。每天在硬度计使用前用标准硬度块对硬度计进行检查，若发现测量偏差大，及时通知计量人员对硬度计进行校准检查，避免因硬度计的故障造成测量偏差；②规范加载、卸载。在压头与制件表面接触后，应无冲击、无振动的施加初试验力F0和主试验力F1，初试验力保持时间控制在3 s以内，从施加F0到F1的时间应>1 s而<8 s。F0和F1的总试验力应控制在2～6 s。在生产中应防止为了图快而在加载和卸载过程中手推加载和卸载机构；③规范测量点间距。在相邻测量点的距离应≥2 mm，并且保证任一测量点距制件边缘的距离应>1 mm。

3)制件质量

对待测制件，应从以下几方面控制制件质量：①制件表面清洁干净。对待测制件测量前应确保无油污、无氧化，若存在应对制件进行打磨抛光氧化层，用溶剂清洗干净油污并晾干后再进行测量。同时，在制件放在硬度计支持台前，应用布擦拭制件待测面和其与支持台接触面，防止颗粒的存在影响测量结果；②待测制件表面粗糙度低。应采用手动打磨抛光或采取磨床加工的方式，确保制件待测表面的粗糙度。一般钢件待测表面粗糙度Ra≤1.6 μm，对于QBe2之类的铜合金制件，由于对弹性后效敏感，测量时其表面粗糙度Ra应控制在0.8 μm以下；③保证所测制件放置平稳。确保硬度计针头垂直压入是避免产生切向应力的主要措施，因此，所测制件与硬度计所用的支撑垫块必须合适，保证制件放置平稳，在测量过程中不会出现位移现象。