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技術文章

里氏硬度計儀器校準的試驗原理
1　里氏硬度測試

　　裝有碳化鎢球或金剛石球的沖擊體,在一定的沖擊能量作用下,沖擊試樣表層,通過電磁感應原理測量出沖擊體距試樣表層1 mm位置處的沖擊快速與反彈快速。里氏硬度值用沖擊測頭反彈快速vr與沖擊快速va之比來表示,計算公式如下:

　　要使上式成立,必須滿足下列兩點:

　　a)沖擊體的反彈快速與沖擊快速應在同一條直線上。

　　b)距試件表層1 mm位置處的沖擊能量Ea等于距試件表層1 mm位置處的反彈能量Er加上沖擊體沖擊表層時在試件表層產生塑性變形所需的能量Epd,不能有其它形式的能量轉化。用數學式表示為

　　2　里氏硬度計儀器校準本身產生示值誤差的原因

　　使用里氏硬度計測試里氏硬度值,里氏硬度計本身會產生誤差。檢定/校準人員一定要了解和掌握硬度計本身誤差產生的原因,以便能在檢定/校準工作中保證里氏硬度計的準確度要求。目前工作用的里氏硬度計大都是D型沖擊體,現以D型沖擊體為例,該沖擊

　　體的技術參數如下:

　　沖擊體質量:m=5·5 g;

　　沖擊能量:Ea=0·011 J;

　　沖擊體直徑:Φ=3·0 mm;

　　沖擊體球頭硬度: >1500HV。

　　試件在受到沖擊體撞擊時產生塑性變形還是彈性變形對里氏硬度計的示值影響較大,由(2)式可知,沖擊能量一定,產生的塑性變形大,彈性變形小,反彈快速就小。

　　因沖擊體沖擊能量Ea=12mv2a,Ea隨質量m的變化而變化,當質量m變小時,Ea變小,試件表層產生塑性變形所吸收的Epd變小,相對Er變大,使快速vr變大，從而使硬度示值偏高,反之亦然。解決的辦法是清洗或更換沖擊體。

　　沖頭硬度偏低(<1500 HV),沖擊體沖擊試件時,除試件產生塑性變形Epd,沖擊體沖頭自身也產生塑性變形E′pd,故Er變小,從而vr減小,使硬度計示值偏低,解決的辦法是更換沖頭。

　　沖擊體用的碳化鎢球徑偏小,當沖擊體沖頭沖擊試件時,沖頭壓入試件使試件產生塑性變形的能力增強,即壓入試件的Epd變大,從而Er變小, vr變小,使硬度計示值偏低,反之亦然。解決方法是改變碳化鎢球面位置或更換符合幾何形狀的沖頭。

　　釋放沖擊體彈簧彈力誤差,包括使用了10萬次以上、彈力失效等。因里氏硬度計的沖擊快速是靠彈簧彈力施加來實現的,當彈簧彈力變大,Ea變大,試件表層塑性變形變大,相對于Er變小,vr變小,使硬度示值偏低,反之亦然。解決的方法是更換符合彈簧彈力要求的彈簧。

　　里氏硬度計儀器校準試驗信息的采樣、數據處理及示值讀數等都是由電子線路自動完成的。信息采樣過程主要是通過裹在導管上的線圈和長久磁鐵(沖擊體)構成的浸入式探測器,直接測定長久磁鐵距試樣表層1mm位置處的快速,探測器隨沖擊體移動的長久磁鐵進入和離開線圈時,探測器內會產生典型電壓V的曲線,如圖1所示。

　　電壓曲線是隨時間t變化的簡單函數曲線,*大值Va和*小值Vr所對應的就是沖擊體距試樣表層1 mm位置處的輸出電壓信號,然后通過數據采集系統和數據處理系統將其轉換為相應的硬度值輸出。所以磁力的衰減會影響感應信號的輸出,從而影響硬度示值的準確。當里氏硬度計采用標準塊進行比對時,如果示值超差里排除其它因素的影響,要使硬度計示值與標準塊硬度值一致,可以通過調整輸出信號的放大系數來完成。

　　3　試件對里氏硬度值的影響

　　當沖擊體沖擊試樣表層時,試件表層會出現小的凹陷,對于光滑的試件表層,沖擊體會沿著沖擊方向反彈回來,但當試件表層粗糙度高時,沖擊體可能會改變回彈方向,影響反彈快速而影響里氏硬度示值。同時粗糙的試件表層也會吸收沖擊能量,從而減小反彈快速使里氏硬度值降低。因此,試件試驗點表層應盡量光滑、平整,粗糙度Ra值應小于2μm(相當于光潔度 6以上)。具體實現方法可用磨光機、砂輪機、砂布等對試件表層進行光滑處理。

　　里氏硬度計儀器校準的試驗原理要求反彈快速與沖擊快速在同一條直線上,因為沖擊體在一個金屬管中運動,只有感應快速信號輸出時才有里氏硬度值顯示。但由于沖擊體反彈時碰撞管壁,影響到反彈快速,因此對試驗準確度影響較大。所謂里氏硬度試驗可進行多個規定方向的測量是認為所規定方向測量的影響一定,對里氏硬度計而言把這一影響當成誤差處理,對試驗結果進行了軟件修正。軟件修正的前提是反彈快速與沖擊快速應在同一直線上。所以對于一些形狀復雜曲率半徑較小的試件,如何實現沖擊體的沖擊快速與反彈快速在同一直線上是測試的關鍵。解決的辦法是改變測量方向,或選用適當的支撐,使試件在受力方向上具有足夠的剛性。

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