CN205175814U - 里氏硬度测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种里氏硬度测量装置，涉及硬度测量技术领域。本实用新型有一里氏硬度标准块，将里氏硬度标准块的下端面耦合到待测钢板的上表面中心，里氏硬度标准块的上表面中心放置有8kg压块，待测钢板的下表面中心安装有里氏硬度计；将待测钢板的两端放置在一支架上，待测钢板的中部下方悬空。优点：检测结果与试样维氏硬度换算的里氏硬度值较为接近，且不同厚度试样检测结果无明显系统性偏差。

Description

里氏硬度测量装置

技术领域

本实用新型涉及硬度测量技术领域，具体是一种硬度测量装置。

背景技术

硬度是评定金属材料力学性能最常用的指标之一。硬度的实质是材料抵抗另一较硬材料压入的能力。硬度检测是评价金属力学性能最迅速、最经济、最简单的一种试验方法。硬度检测的主要目的就是测定材料的适用性，或材料为使用目的所进行的特殊硬化或软化处理的效果。对于被检测材料而言，硬度是代表着在一定压头和试验力作用下所反映出的弹性、塑性、强度、韧性及磨损抗力等多种物理量的综合性能。由于通过硬度试验可以反映金属材料在不同的化学成分、组织结构和热处理工艺条件下性能的差异，因此硬度试验广泛应用于金属性能的检验、监督热处理工艺质量和新材料的研制。金属硬度检测主要有两类试验方法。一类是静态试验方法，这类方法试验力的施加是缓慢而无冲击的。硬度的测定主要决定于压痕的深度、压痕投影面积或压痕凹印面积的大小。静态试验方法包括布氏、洛氏、维氏、努氏、韦氏、巴氏等。其中布、洛、维三种试验方法是应用最广的，它们是金属硬度检测的主要试验方法。另一类试验方法是动态试验法，这类方法试验力的施加是动态的和冲击性的，这里包括肖氏和里氏硬度试验法。动态试验法主要用于大型的，不可移动工件的硬度检测。

里氏硬度值测量前，应对钢材表面进行打磨处理，可用钢锉或角磨机等设备打磨构件表面，除去表面锈斑、油漆，再分别用粗、细砂纸打磨构件表面，直至露出金属光泽。打磨区域不应小于30×60mm2。

打磨后用粗糙度测量仪测量打磨面的粗糙度值，测量不应少于5次，取其平均值，每次读数精确至0.01μm，测试表面粗糙度应小于1.6μm。

1)硬度测定前，应用里氏硬度计所带标准块对仪器进行校准，安装调整好仪器，在标准块测定硬度，当相邻两点读数小于12HL时，方可开始测定。

2)硬度测试时，应按以下程序进行：

a)向下推动加载套或用其他方式锁住冲击体；

b)将冲击装置支撑环紧压在试样表面上，冲击方向应与测试面垂直；

c)平稳地按动冲击装置释放钮；

d)读取硬度示值。

测点在测区范围内均匀分布，任意两压痕中心之间距离应大于3～4mm，任一压痕中心距试样边缘距离不小于5mm。同一测点只能测试一次。每一测区应测试9个值，每一测点的里氏硬度值精确至1。数据分散不应超过平均值的±15HL。

文献1中为了让实验结果更贴近现场检测结果，考虑到在钢结构现场进行无损检测时，“钢结构及其构件厚度一般都超过5mm，重量一般都超过2kg，所以未对试样进行耦合”。参照文献1进行了检测，具体实验方法为：把样品机加工成2cm×300cm的试样，将试样表面用磨床磨平，表面粗糙度Ra不大于1.0μm，把试样夹持在台虎钳上用EQUOTIP3便携里氏硬度仪进行检测。每个试样测试9个值，剔除2个最大值和2个最小值，取余下的5个检测结果的平均值。检测用样品是用备样加工的，共152件试样。

里氏硬度实验结果与屈服强度对应关系的散点图如图1所示，里氏硬度实验结果与抗拉强度对应关系的散点图如图2所示。

按照最小二乘法原理，利用SPSS软件对检测结果分别进行线性回归、乘幂回归、指数回归和二次方回归，回归结果见表1和表2。

表1模型汇总和参数估计值

因变量:屈服强度Mpa

自变量为里氏硬度HLD夹持。

表2模型汇总和参数估计值

因变量:抗拉强度Ma

自变量为里氏硬度HLD夹持。

从表1和2中可以看出，里氏硬度检测结果与强度的相关性较低，这与文献1的检测的结论相差较大。EQUOTIP3便携里氏硬度仪说明书指出：“洛氏单位的转换误差一般不超过±2HR，HB和HV单位的转换误差一般不超过±10％”。我们将各样品的检测值与其维氏硬度检测结果换算的里氏硬度值进行了比较，只有5个样品检测结果的相对偏差大于10％，与说明书所指出的基本一致，但我们发现不同厚度试样的里氏硬度检测值与换算值之间出现了系统性的偏差(见表3和图3)，总体上厚度越小，检测值越高。在检测过程中我们就发现，夹持力的大小对检测结果有较大的影响，夹持力越小，检测值越低、数据的离散性越大，实验中很难把握一个合适的夹持程度，为了使得各试样的夹持力一致，我们在夹持过程中以实验台的一个脚稍微抬起作为衡量夹持程度的依据。然而各个试样的厚度是不一样的，同样的夹持力对薄试样的来说相对较大，对厚试样来说相对较小，这可能是造成系统性偏差的原因。

表3板厚与换算偏差

我们将检测数据按照图中的曲线进行修正，重新进行了拟合。修正后的里氏硬度与抗拉强度关系的散点图如图4所示，修正后的里氏硬度与屈服强度关系的散点图如图5所示。

按照最小二乘法原理，利用SPSS软件对检测结果分别进行线性回归、乘幂回归、指数回归和二次方回归，回归结果见表3和表4。

表3模型汇总和参数估计值

因变量:屈服强度Mpa

自变量为里氏硬度HLD修正。

表4模型汇总和参数估计值

因变量:抗拉强度Ma

自变量为里氏硬度HLD修正。

从表3和表4中可以看出，修正后的检测数据与强度的相关性有了较大的提高，但与现有文献的检测结果仍相差较大。文献2也进行了同样的实验，我们将文献2中用GetDataGraphDigitizer软件提取数据后重新用SPSS进行回归分析见图6，回归拟合优度最好的是二次方回归模型，拟合优度为0.330，回归分析结果与文献1的回归分析结果相差也较大。

从文献2中可以看到，文献2的试验样品来自于四家钢厂，四家钢厂的实验数据分别单独进行回归分析可以得到较好的四条回归曲线，但四条回归曲线相差很大。设想如果文献2的实验样品来自另外四家钢厂或者样品数量分配上做些改变，很可能会得出另外一条截然不同的回归曲线。我们的样品是从全省12个城市的钢结构生产企业收集的，很可能来自于十几家甚至几十家钢铁企业。各样品的化学成分和晶粒度级别相差较大，说明各钢材生产厂家的生产工艺和工艺水平相差很大，这可能就是回归分析中拟合优度较低的原因。这也与文献2的研究结果是一致：对于相同的里氏硬度值，不同钢厂所得钢材的抗拉强度值是不同的，对于生产规模大、轧制工艺好的大型钢铁企业，在相同的里氏硬度下，其对应的抗拉强度值明显偏高。

实验中发现采用夹持的方式进行检测，得到的检测数据会受到试样厚度、宽度和夹持力大小的影响，由于实验的样品宽度不同，夹持力大小不同，造成了检测结果出现了较大的差异。我们还注意到试样厚度、宽度和夹持力大小给实验结果带来的影响并不是完全的线性关系，很难给出统一的修正方法，这样检测得到硬度检测数据与真实值相差较大，而且现场检测结果与实验室检测结果还有一定偏差，即使采取一定修正措施，但多重偏差会给回归公式的可靠性带来较大影响，所以我们认为采用夹持方式进行检测并不是一个恰当的检测方式。

规范规定，对于厚度大于5mm的试样，选用D形冲击装置时，重量2～5kg的须固定或夹持，重量大于5kg的须稳定放置。但我们在实际检测中发现与文献5一致的情况:即使完全满足规范的要求，里氏硬度检测结果仍会有较大偏差，而且试样越薄，偏差越大。查阅《金属材料里氏硬度试验第1部分试验方法》DIN50156-1-2006，其中规定试样厚度在3～25mm之间的应进行耦合。对于耦合得的实验效果我们进行了验证，我们将其他硬度标准块耦合后进行检测，并将检测结果与试块标称硬度换算的里氏硬度值进行比较，见表5。

表5里氏硬度检测结果与换算值对照表

从表5中可以看出，里氏硬度检测结果与换算值非常接近，相对偏差在1.0％左右。可见，对于较薄的钢板进行里氏硬度检测时，进行耦合是比较合适的措施。之后我们把试样耦合后进行检测，但我们发现，由于试样重量较小，实验数据对耦合质量非常敏感，而试样的耦合面远没有标准试块一样平整和光滑，必须将耦合面进行适当处理，否则检测数据会出现较大偏差。但考虑到现场检测的实际情况，我们没有进行耦合面处理后的实验验证。

文献1：段向胜,邸小坛,周燕,陶里.钢材里氏硬度与抗拉强度之间换算关系的实验研究[J].建筑科学,2003,19(3):49-50。文献2方平,孙正华,刘可,邸小坛.里氏硬度化学分析综合法检测钢材抗拉强度的研究[J].建筑科学,2011,21(增刊1):121-172。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本实用新型提供一种里氏硬度测量装置，检测结果与试样维氏硬度换算的里氏硬度值较为接近，且不同厚度试样检测结果无明显系统性偏差。

本实用新型是以如下技术方案实现的：一种里氏硬度测量装置，包括里氏硬度标准块，将里氏硬度标准块的下端面耦合到待测钢板的上表面中心，里氏硬度标准块的上表面中心放置有8kg压块，待测钢板的下表面中心安装有里氏硬度计；将待测钢板的两端放置在一支架上，待测钢板的中部下方悬空。

本实用新型的有益效果是：1、检测结果与试样维氏硬度换算的里氏硬度值较为接近，且不同厚度试样检测结果无明显系统性偏差；2、试验数据较稳定；3、试验参数基本可量化，便于各实验室比对；4、试验方法在工程现场具有一定可行性，委托检测的钢结构工程多为工字型梁柱，可以在检测点对面用里氏硬度标准块进行耦合，然后稍微用力按住里氏硬度标准块后进行检测；对于箱型梁或其他无法进行耦合的构件，可以专门研究直接检测与耦合检测结果之间的偏差，对检测结果进行适当修正。

附图说明

图1是现有里氏硬度实验结果与屈服强度对应关系的散点图；

图2是现有里氏硬度实验结果与抗拉强度对应关系的散点图；

图3是现有里氏硬度测试试件厚度与里氏硬度偏差的关系图；

图4是现有修正后里氏硬度实验结果与屈服强度对应关系的散点图；

图5是现有修正后里氏硬度实验结果与抗拉强度对应关系的散点图；

图6是钢材抗拉试验强度随里氏硬度回弹值关系曲线图；

图7是本实用新型结构示意图；

图8是本实用新型里氏硬度实验结果与屈服强度对应关系的散点图；

图9是本实用新型里氏硬度实验结果与抗拉强度对应关系的散点图；

图10是规范DGJ32/TJ116-2011抗拉强度推定值、指数回归公式计算值和实测值进行比较图。

图中：1、压块，2、里氏硬度标准块,3、待测钢板,4、支架，5、里氏硬度计。

具体实施方式

如图7所示，一种里氏硬度测量装置，包括里氏硬度标准块2，将里氏硬度标准块的下端面耦合到待测钢板3的上表面中心，里氏硬度标准块2的上表面中心放置有8kg压块1；待测钢板3的下表面中心安装有里氏硬度计5；将待测钢板的两端放置在一支架4上，待测钢板3的中部下方悬空。

本实施例中，所述的压块1采用钢块，里氏硬度标准块2硬度范围HLD490-570，590-670，750-830，尺寸规格90X55(mm)。里氏硬度计可供选择的机型较多，价格从几千到几万不等。大多数里氏硬度计标明的测量精度优于+/-6HL。里氏硬度计测试前须对试件进行打磨，选用D型冲击装置时规范要求试样表面粗糙度应不大于1.6μm。里氏硬度计现场测试方便、快捷，测试时要求试样有一定的质量和厚度，主要适用于大型、重型的及不宜拆卸的工件硬度的现场检测。

里氏硬度检测结果与抗拉强度、屈服强度对应关系的散点图如图8、图9所示。按照最小二乘法原理，利用SPSS软件对检测结果分别进行线性回归、乘幂回归、指数回归和二次方回归，回归结果见表6和表7。

表6模型汇总和参数估计值

因变量:屈服强度Mpa

自变量为里氏硬度HLD背面耦合。

表7模型汇总和参数估计值

因变量:抗拉强度Ma

自变量为里氏硬度HLD背面耦合。

从表6和表7中可以看出，里氏硬度与强度关系的几个回归模型拟合优度较为接近，指数模型略优，且比夹持检测方式回归结果有较大的提高，但是比洛氏硬度、布氏硬度与强度的回归结果仍有较大差距。

在规范《里氏硬度计现场检测建筑钢结构钢材抗拉强度技术规程》中，附录B给出了钢结构用型钢抗拉强度推定值的上下限。我们将规范DGJ32/TJ116-2011抗拉强度推定值、指数回归公式计算值和实测值进行比较，结果见图10，线1为本实用新型拟合的抗拉强度计算值；线2为GB/T1172-1999给出的抗拉强度换算值；线3为ISO18265-2013给出的抗拉强度换算值。由于我们是耦合后进行的检测，所以未再按照DGJ32/TJ116-2011中的要求进行修正。从图10中可以看出，绝大部分抗拉强度实测值处于规范给出抗拉强度换算值区间之内。DGJ32/TJ116-2011在制定过程中参考了GB/T1172、GB/T17394及ISO/TR10108等国内外相关的标准，并参照ISO/TR10108的方式对同一硬度检测值给出了较宽的抗拉强度换算区间。

Claims (2)

1.一种里氏硬度测量装置，包括里氏硬度标准块(2)，将里氏硬度标准块的下端面耦合到待测钢板(3)的上表面中心，里氏硬度标准块(2)的上表面中心放置有8kg压块(1)；待测钢板(3)的下表面中心安装有里氏硬度计(5)；将待测钢板的两端放置在一支架(4)上，待测钢板(3)的中部下方悬空。

2.根据权利要求1所述的里氏硬度测量装置，其特征在于：所述的压块(1)采用钢块。