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里氏硬度计测试精度分析
里氏硬度计测试精度分析　　　
Analysis on Te sting Precision of Leeb Hardne ss Meter
　　　　　　　　　　　　李锁才/ 陕西鼓风机(集团) 有限公司
【摘要】简述了里氏硬度计的测试原理,**分析了里氏硬度计测试的技术条件,根据实际生产检验时不同的硬度精度要求,讨论了里氏硬度计的应用范围,对于需要高精度测试的零部件(材料),提出了提高测试精度的方法,利用二元线性方程,介绍了硬度换算表的自制方法,提高了使用精度,满足检验要求,并应用于生产。
关键词:里氏硬度计　测试精度  硬度计
Abstract :Testing principles of Leed Hardness meterisbrieflydescribed. Technical condition for LeebHardness testingiscomprehensively analyzed. Theapplication range of LeebHardnessmeter is dis2cussed according to actual productioninspection.
The method of enhancing testing precision againstpart smaterialsneeding the high precision testing isput forward. In alight ofduality linear equation ,int roducing selfmaking methodforconversion tableof hardness , which improves the precision,satisfy
inspection requirement s and be applied to practice.Key words:LeedHardness meter Testing precision
一、前言
我公司生产的轴流压缩机,其动、静叶片均为不锈钢2Cr13。每台产品的叶片总数量约为1000片。叶片经过原材料检验→下料→锻造→热处理调质)→硬度检测(100 %)→力学性能→机械加工→无损检测等工序完成。每年*多生产70 余台套,每片叶片测定3点硬度,取其平均值,每年检测次数约为21万次。如果选用台式布氏硬度计,劳动强度相当大,而且需要观察、查表等,周期长。为此,一直使用易携带、测量范围广、操作方便、快速的里氏硬度计进行测量。由于目前国内没有统一的里氏硬度计测试标准,里氏硬度计在使用时要进行材料类别选择,而每种类别的材料包括多种不同牌号的材料,而相同类别不同牌号的材料使用的是同一种换算表,自然有一定误差,加之里氏硬度计便携、方便等特点,势必要有比较严格的测试条件和方法。为此,笔者以HLM-100 里氏硬度计、D型传感器、2Cr13 材料为例,对其测试精度进行了
**分析,以便根据不同的使用条件,检测出高精度的硬度值。
二、测试原理
一定质量(M)的冲击体以一定的冲击速度VA与试样碰撞,使试样表面产生了包括塑性和弹性变形的压痕,压痕中的弹性变形恢复并推动冲击体向与冲击方向相反的运动,产生回弹速度VR,利用冲击体心部的长久磁芯和冲击导管体的线圈组成的磁电感应系统自动测量冲击速度VA 和回弹速度VR,经过里氏硬度计自动处理系统进行计算,直接显示出里氏硬度值(HLD),并根据材料类别,直接换算成所需硬度值(如布氏、洛氏等)。
三、测试技术特点
(1)误差较少,系统稳定里氏硬度计是一种动态试验,利用冲击体速度来计量的,经过准确电感应的速度测量,可以*大限度地降低系统误差。
(2) 量程宽
传统的布氏、洛氏、维氏等硬度计在测量时,通常要根据材料的不同牌号、热处理方式等,选用更
2003 年4 月29 日收到　西安市　710611— 24 —
风机技术　2004 年第1期/新技术新产品换不同的载荷、压头直径、标尺等,而里氏硬度计只需选定材料类别,基本上就可以进行测试。
(3) 测量方向任意
传统的台式硬度计测量时,对试样的大小、形状等都有一定的要求,尤其是一些形状复杂、重量大的零部件,用台式硬度计测量则比较困难,利用里氏硬度计测量时,由于冲击体质量小,行程短,可对工件各部位和方向任意测量。
(4) 效率高
台式硬度计需要将工件放在平台上,经过试验→产生压痕→测量→查表等过程完成,时间长,强度大。而利用里氏硬度计只需将冲击体放在测
试部位,给冲击体施加一定的外力,再经过自动采集和数据处理,直接显示出数值,自动化程度高。
四、测试技术条件
根据里氏硬度计测试原理,其测试数据大小取决于冲击体速度。因此,试件的质量、表面粗糙度、几何形状、厚度等许多因素都会影响冲击体的回弹速度,为了更准确地进行测试,尽量减少误差,里氏硬度计应具备*基本的测试条件。
1. 试件质量的影响
试件质量越小,测定的硬度值就越比实际硬度值低,试件质量越大,测定的硬度值就越准确。
(1) 经实际试验,里氏硬度计测定的*小质量一般为5kg。对于密实体、可稳定放置、试验力向下的试件,*小质量可降到3kg。
(2) 对于密实体,当试件质量在2～3kg 时,可以改变冲击方向,采用垂直向上的方向进行测试,以减少冲击力及被测试件的惯量。
(3) 对于小于3kg 的密实体或非密实体试件,可以采用耦合的方法提高惯量。
2. 试验部位表面粗糙度
(1)经对两种不同粗糙度叶片进行硬度测试,并用台式布氏硬度计进行对比发现,粗糙度越大,硬度值越低,粗糙度越小,示值越准确,如表1。
表1
试样编号粗糙度( Ra)里氏硬度计测试结果(HB)(自动换算布氏硬度值)布氏硬度计测试结果(HB)
2 1. 6 226 233
(2) 相对表面粗糙度不同硬度的材料,经过试验,对低硬度材料影响较大,如表2 。
试样编号粗糙度( Ra) 材料处理状态里氏硬度计测试结果自动换算测试结果)台式硬度计
1 1. 6 2Cr13 调质208HB 228HB
2 1. 6 T7 淬火56HRC 55. 2HRC
　　(3) 经过试验,使用里氏硬度计所需的表面粗糙度如表3 。
里氏硬度值(HL) 粗糙度( Ra) (实测值)
3. 试件厚度
(1) 对试件厚度2～3mm 的薄平面试件需要进行耦合,以提高测试的准确性。
(2) 试件厚度<2mm的薄平面试件,惯性差,尤其对于低硬度材料,容易打穿。在这种情况下,应利用台式硬度计进行打穿试验。
(3) 对不具备耦合形状条件的试件可用压紧支撑提高惯性。
4. 曲率半径
(1)根据里氏硬度试验原理,同一材料,凸表面的硬度测试值低于标准形状试件的硬度测试值,而凹表面的硬度测试硬度值高于标准形状试件的硬度测试值。
(2) 曲率半径越大,测试的硬度就越准确,根据经验,对凸曲面,一般R ≥10mm ,凹曲面,一般
R ≥15mm。
— 25 —里氏硬度计测试精度分析
五、分析
硬度是指材料抵抗塑性变形的能力。它不是确定的物理量,没有一致的量纲,没有统一的试验方法。不能应用数学方法对不同硬度值进行换
算。目前,在机械产品生产过程中,应用*多的是洛氏、布氏、维氏硬度计,这3种硬度计一般安装于理化试验室中,先将产品零件加工成规则形状的试样,再进行硬度测试。但是在实际生产中往往不允许将产品破坏及许多零件根本无法放置在规定的硬度计上,尤其是对质量要求较高、检测率很高的产品。因此,迫切需要一种便携式硬度计。目前,里氏硬度计应用比较广泛,但是还没有相应的国家标准。在机械产品中,一般要求测试的是洛氏、布氏、维氏硬度值,这样,用里氏硬度计测定的里氏硬度值(HL)就与洛氏、布氏、维氏硬度值之间存在一定的换算关系。而各硬度值之间没有统一的换算关系,不存在数学关系式,只是经验公式,存在一定误差。
硬度高低不仅取决于不同的试验方法,同时,还与材料的弹性模量、弹性极限、强度极限等有直接、紧密的关系。在目前应用的里氏硬度计中,已经对不同材料进行了分类(一般分为10类),在试验前,需进行材料种类的选择,里氏硬度计可以自动将里氏硬度值(HL)换算成洛氏、布氏、维氏硬度值。因此,里氏硬度计内部存储有几十种换算表。里氏硬度计是按材料类别设置不同的换算表,但是相同的材料类别,包含多种不同的材料牌号,为了兼顾各牌号材料,使整体换算误差*小,每类材料中居于中间的牌号应该有*小的换算误差。
六、换算表的自制法
对于要求不高的零部件材料硬度测试,应用目前的里氏硬度计直接测量,自动换算就可以达到要求。而对于要求测量精度高的零部件硬度测
试,*有效的办法就是根据实际零部件规定的材料牌号、金相组织,自制换算表,换算成零部件标准中规定的硬度种类换算值。表4是3种里氏硬度计使用精度参考表。
表4
应用要求低水平应用一般水平应用高水平应用误差±50HB±30HB±10HB测试要求直接测试自动换算直接测试自动换算自制换算表换算我公司生产的轴流压缩机叶片, 材料为2Cr13,100%布氏硬度测试,数量多,要求高。因此,以此为例制作里氏( HL) ———布氏( HB) 换算
表。
(1) 硬度计选择
里氏硬度计:HLM - 100 用标准块调校;布氏硬度计:HB - 3000 用标准块调校。
(2) 试件准备
用2Cr13 不锈钢调质叶片,叶片实际情况如表5 。
表5
质量厚度(mm) 粗糙度( Ra) 洁净度10kg 80 1. 6 无油污2Cr13 不锈钢调质叶片标准硬度要求为180
～230HB ,在此硬度范围内选择10 片叶片做为换算用试件。对比试验,试样形状及测量部位如图1 。
图1
在每件试件上在左、中、右各测试3 点布氏硬度值(HB) ,取其平均值(HB) ,每点布氏硬度测量点周围测试5点里氏硬度值(HL)及自动换算布氏硬度值(HB自) ,取其平均值(HL) 及( HB自) ,再将每件试件上3 个里氏硬度平均值(HL)及3个布氏硬度平均值(HB自) 平均,得到每件件平均里氏硬度值( HL )′及自动换算布氏硬度平均值(HB自)′,填入表6中。
— 26 —
风机技术　2004 年第1 期/ 新技术新产品
表6
试件编号1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
HB 211 217 208 229 189 196 205 224 241 232
里氏硬度计自动换算(HB自)′
196. 6 202. 9 194 217 174 180 190 210 228 218
(HL)′ 467 473. 7 464 490. 3 440 447. 8 460 482 502 492
　　根据实际的HL 与HB 值,利用二元线性回归方法,建立回归方程为HB = b + m ×HL所得二元线性回归方程为HB =-174. 6166 + 0. 82609 ×HL误差分析见表7 。
表7
试件编号1 2 3 4 5 6 7 8 9 10台式硬度计测试值HB
211 217 208 229 189 196 205 224 241 232
里氏硬度计
自动换算(HB自)′196. 6 202. 9 194 217 174 180 190 210 228 218
换算表换算硬度(HB) 值211 217 209 230 189 195 205 224 240 232
换算表(HB) 值与台式硬度计(HB) 误差值%0 0 0. 48 0. 44 0 0. 51 0 0 0. 41 0
自动换算(HB) 与台式硬度计(HB) 误差值%6. 64 6. 45 6. 73 5. 24 7. 94 8. 16 7. 326.25 5. 39 6. 03(HL)′ 467 473. 7 464 490. 3 440 447. 8 460 482502492
　　经过误差统计分析,换算表(HB) 换算值与台式硬度计(HB) 测试值*大误差为0. 51 %,自动换算(HB)与台式硬度计(HB) *大误差值为8. 16 % ,利用自制换算表换算HB 值,比里氏硬度计自动换算HB值,平均精度提高了6. 4%。
技术协议要求,于2000年2月在用户现场进行了性能试验,根据协议其风机流量的考核,在用户现场用煤气总管流量孔板读数折算到机前入口状态后再进行计算。性能试验记录与计算见表4。
(7) 改造后的性能曲线(见图1)
表4
时间出口压力poutkPa)
出口温度Tout( ℃)
进口压力pin(kPa)
进口温度t in( ℃)
出气流量(m3/ h)计算数据
总压(kPa) 流量(m3/ h)
20 :30 19 55 - 9. 3 26 45450 28. 3 56812. 5
16 :30 21 48 - 10 22 44750 31 55937. 5
18 :30 18 51 - 12 24 45450 28. 3 53487. 5
23 :00 19 55 - 10 27 45450 28. 3 51480

参考文献
1 　徐忠主编. 离心式压缩机原理. 机械工业出版社,1980.
2 　B·Φ里斯. 离心压缩机械. 机械工业出版社,1965.
3 　李国贵. 压缩机型鼓风机叶轮流量系数选择. 风机技术,1989(6) .
    
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