硬度計(jì)標(biāo)尺簡介

洛氏硬度計(jì)標(biāo)尺的選擇　　

洛氏硬度試驗(yàn)采用三種試驗(yàn)力，三種壓頭，它們共有9種組合，對應(yīng)于洛氏硬度的9個(gè)標(biāo)尺。這9個(gè)標(biāo)尺的應(yīng)用涵蓋了幾乎所有常用的金屬材料。最常用的標(biāo)尺是HRC、HRB和HRF，其中HRC標(biāo)尺用于測試淬火鋼、回火鋼、調(diào)質(zhì)鋼和部分不銹鋼。這是金屬加工行業(yè)應(yīng)用最多的硬度試驗(yàn)方法。HRB標(biāo)尺用于測試各種退火鋼、正火鋼、軟鋼、部分不銹鋼及較硬的銅合金。HRF標(biāo)尺用于測試純銅、較軟的銅合金和硬鋁合金。HRA標(biāo)尺盡管也可用于大多數(shù)黑色金屬，但是實(shí)際應(yīng)用上一般只限于測試硬質(zhì)合金和簿硬鋼帶材料。

表面洛氏硬度試驗(yàn)采用三種試驗(yàn)力，兩種壓頭，它們有6種組合，對應(yīng)于表面洛氏硬度的6個(gè)標(biāo)尺。表面洛氏硬度試驗(yàn)實(shí)際上是小負(fù)荷洛氏硬度試驗(yàn)，在進(jìn)行洛氏硬度試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)遇到材料較薄，試樣較小或表面硬化層較淺時(shí)，就應(yīng)改用表面洛氏硬度試驗(yàn)。這時(shí)采用與洛氏硬度試驗(yàn)相同的壓頭，采用只有洛氏硬度試驗(yàn)幾分之一大小的試驗(yàn)力，就可以在上述試樣上得到有效的硬度試驗(yàn)結(jié)果。表面洛氏硬度的N標(biāo)尺適用于類似洛氏硬度的HRC、HRA和HRD測試的材料；T標(biāo)尺適用于類似洛氏硬度的HRB、HRF和HRG測試的材料。

洛氏硬度計(jì)和表面洛氏硬度計(jì)的標(biāo)尺通常按材料種類、材料厚度和標(biāo)尺的刻度范圍三方面的因素來選擇，具體選擇方法敘述如下：

1、按材料種類選擇

美國標(biāo)準(zhǔn)ASTM E18給出了根據(jù)不同種類的材料，選擇洛氏硬度標(biāo)尺的參考表。如表一所示：

事實(shí)上，所有黑色金屬材料均可利用洛氏硬度計(jì)測試其硬度，但有兩種材料除外，第一種是應(yīng)在顯微維氏硬度計(jì)上測試的極薄材料，另一種是應(yīng)采用布氏硬度計(jì)的粗晶?；蚪M織不均勻的材料。

1. 1 淬火鋼和回火鋼

淬火鋼和回火鋼的硬度試驗(yàn)主要采用HRC標(biāo)尺。如果材料較薄，不宜采用HRC標(biāo)尺時(shí)，可以改用HRA標(biāo)尺。如果材料更薄，可以采用表面洛氏硬度計(jì)HR15N、HR30N或HR45N標(biāo)尺。

1. 2 表面硬化鋼

在工業(yè)生產(chǎn)中，有時(shí)要求工件芯部具有良好的韌性，又要求其表面具有高的硬度和耐磨性，這時(shí)就要采用高頻淬火、化學(xué)滲碳、滲氮、碳氮共滲等工藝對工件進(jìn)行表面硬化處理，表面硬化層的厚度一般在零點(diǎn)幾毫米到幾毫米之間。對于表面硬化層較厚的材料，可以采用HRC標(biāo)尺測試其硬度，對于中等厚度的表面硬化鋼，可采用HRD或HRA標(biāo)尺，對于薄的表面硬化層應(yīng)采用表面洛氏硬度HR15N、HR30N、HR45N標(biāo)尺。對于更薄的表面硬化層，應(yīng)采用顯微維氏硬度計(jì)或超聲硬度計(jì)。

1. 3 退火鋼、正火鋼、軟鋼

許多鋼鐵材料都是以退火或正火狀態(tài)出廠的，一些冷軋鋼板還要以不同的退火程度來分級(jí)。各種退火鋼的硬度測試通常采用HRB標(biāo)尺，較軟較薄的板材有時(shí)也用HRF，薄板材應(yīng)采用HR15T、HR30T、HR45T標(biāo)尺。

1. 4 不銹鋼

不銹鋼材料通常是以退火、淬火、回火、固溶等狀態(tài)供貨的，國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了相應(yīng)的硬度上、下限值，硬度測試通常采用HRC或HRB標(biāo)尺。奧氏體、鐵素體不銹鋼采用HRB標(biāo)尺，馬氏體、沉淀硬化不銹鋼采用HRC標(biāo)尺，不銹鋼薄壁管、厚度為1~2mm以下的薄板材料應(yīng)采用N標(biāo)尺或T標(biāo)尺。

1. 5 鍛鋼

鍛鋼通常是采用布氏硬度試驗(yàn)，由于鍛鋼材料組織不夠均勻，而布氏硬度試驗(yàn)的壓痕較大。因此，布氏硬度試驗(yàn)?zāi)軌蚍从巢牧细鞑糠纸M織性能的綜合結(jié)果。

1. 6 鑄鐵

鑄鐵材料常常具有組織不均勻，晶粒粗大的特點(diǎn)，因此一般采用布氏硬度試驗(yàn)。洛氏硬度計(jì)可用于部分鑄鐵工件的硬度試驗(yàn)。凡是在細(xì)晶粒鑄件的小斷面上沒有足夠面積作布氏硬度試驗(yàn)的地方，常常可用HRB或HRC標(biāo)尺測試硬度，但最好采用HRE或HRK標(biāo)尺，因?yàn)镠RE和HRK標(biāo)尺采用3.175mm直徑的鋼球，它比1.588mm直徑鋼球能得到更好的平均讀數(shù)。

硬的可鍛鑄鐵材料，通常采用HRC，如果材料不均勻，可測多個(gè)數(shù)據(jù)，取其平均值。

1. 7 燒結(jié)碳化物（硬質(zhì)合金）

硬質(zhì)合金材料的硬度測試通常只采用HRA標(biāo)尺。

1. 8 粉末冶金材料

粉末冶金工件的硬度測試可采用HRB、HRF、HRH或HR15T、HR30T標(biāo)尺，凡是可能的地方，應(yīng)盡量采用HRB標(biāo)尺，因?yàn)橐驯蛔C明它具有最佳的分辨能力。由于材料的多孔性，測得的硬度值被稱為“表觀硬度”。

1. 9 銅及銅合金

黃銅的硬度測試一般采用HRB或HRF標(biāo)尺。

在測試黃銅板的質(zhì)量方面，洛氏硬度試驗(yàn)起著非常重要的作用。美國標(biāo)準(zhǔn)ASTM B36述及“洛氏硬度試驗(yàn)是檢驗(yàn)各種回火黃銅是否符合拉伸強(qiáng)度或晶粒大小要求最快而方便的方法”。

通?；鼗瘘S銅采用HRB標(biāo)尺，退火黃銅或紫銅采用HRF標(biāo)尺，薄板材或薄壁管材采用HR15T、HR30T、HR45T標(biāo)尺。

各國銅材料標(biāo)準(zhǔn)中都給出了不同的合金材料、不同的退火或回火條件下的HRB、HRF或HR15T、HR30T、HR45T標(biāo)尺的上下限硬度值。

1. 10 鋁及鋁合金

硬質(zhì)鋁合金采用HRB，中等硬度的鋁合金采用HRE、HRF，軟的鋁合金或純鋁采用HRH。

較薄的鋁板或薄壁鋁管采用HR15T、HR30T、HR45T。

1. 11 鋅

鋅板的硬度測試通常采用HRE和HRH，3.2mm以上的厚板用HRE，1.2mm~3.2mm的中板用HRH，薄板采用HR15T、HR30T、HR45T。

1. 12 鈦

鈦合金的硬度很高，通常采用HRA，因?yàn)榻饎偸外伣饘匍g存在親合性，它會(huì)縮短金剛石的壽命。因此測試后要求用細(xì)砂紙將附著在壓頭上的鈦金屬除掉，保持金剛石壓頭的清潔就可以延長壓頭的使用壽命。

2、按材料厚度選擇

洛氏硬度試驗(yàn)要求試樣厚度的最小值：對于采用金剛石壓頭的各種標(biāo)尺，是殘余壓痕深度的10倍；對于采用球壓頭的各種標(biāo)尺，是殘余壓痕深度的15倍。標(biāo)準(zhǔn)要求，試驗(yàn)后試樣背面不可產(chǎn)生可見的變形痕跡。

任何洛氏硬度試驗(yàn)的壓痕深度均可采用簡單的公式計(jì)算出來。但是實(shí)際上用不著這種計(jì)算，因?yàn)橛幸恍?biāo)準(zhǔn)圖表可以方便地幫助人們確定這些“最小厚度值”。在某些范圍內(nèi)，這些“最小厚度值”是按10：1或15：1的比例計(jì)算出來的，但是大多數(shù)是根據(jù)低碳鋼和淬火回火帶鋼的不同厚度在實(shí)驗(yàn)中所積累的數(shù)據(jù)繪制的。

圖1 ，試樣最小厚度——洛氏硬度關(guān)系圖。（取自GB/T230.1-2004）

圖2，洛氏硬度試驗(yàn)厚度極限值。（取自ASTM E18-02）

表2：洛氏硬度標(biāo)尺選擇指南

表2. 1 HRA、HRC的選擇

表2. 2 HRB、HRF的選擇

表2. 3 HR15N、HR30N、HR45N的選擇

表2. 4 HR15T、HR30T、HR45T的選擇

2. 1 圖1的應(yīng)用

圖1來源于國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T230.1—2004和國際標(biāo)準(zhǔn)ISO6508-1：1999。在國內(nèi)應(yīng)用較多。

對于已知硬度值的試樣，其厚度值應(yīng)位于曲線上方。例如：圖1.1硬度值為60HRC的試樣，其厚度值應(yīng)大于0.8mm。對于已知厚度的試樣，在坐標(biāo)圖上可找到這一厚度值所對應(yīng)的硬度值，測試范圍包括這一硬度值的各個(gè)標(biāo)尺都可以選擇，但是為了實(shí)現(xiàn)高的靈敏度和精度。通常選用試驗(yàn)力大的那一個(gè)標(biāo)尺。例如：在圖1.1中一個(gè)厚度為0.5mm的淬火鋼試樣，它對應(yīng)的洛氏硬度值為75，可選的標(biāo)尺為HRD和HRA，試驗(yàn)力大一些的是HRD，所以應(yīng)選用HRD標(biāo)尺。同樣是0.5mm厚的淬火鋼，也可以用表面洛氏硬度計(jì)來測試。如圖1.3, 0.5mm厚的淬火鋼，對應(yīng)的表面洛氏硬度值為50，可選用的標(biāo)尺為HR30N和HR45N。這里應(yīng)選用HR45N標(biāo)尺。如果是0.5mm厚的軟鋼或黃銅，由圖1.2可知，沒有哪一個(gè)洛氏硬度標(biāo)尺可以選用，只能選用表面洛氏硬度標(biāo)尺。由圖1.4可知，可選用的標(biāo)尺是HR30T和HR45T。這里應(yīng)選用HR45T。

2.2 圖2的應(yīng)用

圖2來源于美國標(biāo)準(zhǔn)ASTM E18-02。

利用圖2來選擇洛氏硬度標(biāo)尺更加方便，更加直觀。

在圖2上可以很方便地找到一個(gè)厚度——硬度值組合所對應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)，凡是這一點(diǎn)左側(cè)的標(biāo)尺都可以選用，但是應(yīng)注意的是，為了提高靈敏度和精度，在該點(diǎn)左側(cè)可選標(biāo)尺中應(yīng)盡量選擇試驗(yàn)力最大的一個(gè)標(biāo)尺，也就是選擇最靠近該坐標(biāo)點(diǎn)的標(biāo)尺。

例如：對于厚度為0.8mm，硬度值為60HRC的試樣應(yīng)選擇HRC標(biāo)尺。對于厚度為0.8mm，硬度值約為60HRB的試樣應(yīng)選擇HRF標(biāo)尺。對于厚度為0.5mm，硬度值為60HRC試樣，應(yīng)選擇HR45N標(biāo)尺，對于厚度為0.5mm，硬度為60HRB的試樣，應(yīng)選擇HR15T標(biāo)尺。

如果已知的硬度值不是HRC或HRB，則可利用硬度換算表將已知的硬度值換算成HRC或HRB，然后再利用圖2來選擇可用的標(biāo)尺。

2.3 表2的應(yīng)用

表2的來源也是美國標(biāo)準(zhǔn)ASTM E18-02。

表2以表格的形式給出了洛氏硬度標(biāo)尺的選擇指導(dǎo)。表2的使用也很方便和直觀。

例如：試樣是厚度為0.35mm的硬鋼帶，其硬度值約63HRC。根據(jù)表2.1，63HRC硬度的材料，其厚度至少為0.7mm，才能進(jìn)行準(zhǔn)確的HRC硬度測試。所以這種材料不能采用HRC標(biāo)尺。若選用其他標(biāo)尺，可利用“黑色金屬硬度換算表”查得63HRC對應(yīng)于73HRD、83HRA、70HR45N、80HR30N、91HR15N。再查表2.1，可知，可選擇的硬度標(biāo)尺為HR30N和HR15N，這里應(yīng)選用試驗(yàn)力較大的HR30N。

上述例子在利用圖2來選擇標(biāo)尺時(shí)，也會(huì)得出相同的結(jié)果。

如果已知表面硬化鋼的近似硬化層深度和硬度值，也可以利用上述方法來選擇合適的硬度標(biāo)尺。

2.4 “測砧效應(yīng)”

如前面所述，洛氏硬度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中有一個(gè)關(guān)于試樣“最小厚度值”的要求，對于不同硬度的試樣，這一允許的“最小厚度值”也不同。當(dāng)試樣厚度小于這一允許的“最小厚度值”時(shí)，硬度測試時(shí)試樣在壓頭的作用下，變形硬化區(qū)域就可能會(huì)穿透試樣，到達(dá)試樣下面的測砧，這時(shí)試樣背面就會(huì)產(chǎn)生可見的變形痕跡。這時(shí)試驗(yàn)力會(huì)穿過試樣，在測砧上消耗掉一部分，這時(shí)測得的硬度值是不真實(shí)的。這種因試樣厚度不足，而使試驗(yàn)力消耗到測砧上一部分，造成硬度值測量不準(zhǔn)確的現(xiàn)象叫做硬度試驗(yàn)的“測砧效應(yīng)”。

2.5 “測砧效應(yīng)”的對策

為了避免“測砧效應(yīng)”的發(fā)生，應(yīng)嚴(yán)格按照2.1~2.3條的方法，選擇合適的硬度標(biāo)尺。當(dāng)發(fā)現(xiàn)硬度測試后試樣背面產(chǎn)生了可見的變形痕跡時(shí)，應(yīng)改變標(biāo)尺，選用輕一級(jí)的試驗(yàn)力進(jìn)行測試。

如果發(fā)現(xiàn)試樣上產(chǎn)生了“測砧效應(yīng)”，就應(yīng)仔細(xì)觀察測砧的支承面。多次產(chǎn)生“測砧效應(yīng)”之后，測砧的支承面上就可能會(huì)產(chǎn)生毛刺或很小的壓痕，它們都會(huì)影響洛氏硬度測試的準(zhǔn)確性，這時(shí)應(yīng)更換新的測砧。

為了避免“測砧效應(yīng)”的產(chǎn)生，有一種做法是將相同材料的幾片試樣迭加在一起進(jìn)行測試。這種方法是不可取的，因?yàn)閹讓釉嚇拥慕佑|面之同可能會(huì)發(fā)生滑動(dòng)，這時(shí)測試值也是不準(zhǔn)確的。

當(dāng)試樣的厚度低到即使采用最輕試驗(yàn)力的標(biāo)尺仍然會(huì)產(chǎn)生“測砧效應(yīng)”時(shí)，還有一種方法可以采用，這就是國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T230.1-2004附錄A中給出的“薄片產(chǎn)品的HR30Tm試驗(yàn)”。這種試驗(yàn)方法適用于可以采用鋼球壓頭的冷軋薄鋼帶、馬口鐵、薄銅帶、薄鋁帶等材料。

2.6 用于薄片產(chǎn)品硬度測試的HR30Tm試驗(yàn)

用于薄片產(chǎn)品的HR30Tm試驗(yàn)，其試驗(yàn)條件與HR30T相似，經(jīng)供需雙方協(xié)商，允許試樣背面出現(xiàn)變形痕跡。多年的應(yīng)用證明這項(xiàng)試驗(yàn)用于比較目的是非常令人滿意的。它可用于硬度值在80HR30T以下，厚度小于0.6mm直至產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中給出的最小厚度的產(chǎn)品。這項(xiàng)試驗(yàn)需要使用一個(gè)金剛石點(diǎn)砧座（支承面很小的，端面嵌有金剛石的測砧）。金剛石的表面應(yīng)該是一個(gè)經(jīng)過高度拋光的平面，這種金剛石點(diǎn)砧座可以為試樣下表面提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的磨擦條件，這樣就可以提高測試的重復(fù)性。

國內(nèi)外的鍍錫板（馬口鐵）標(biāo)準(zhǔn)中對于材料硬度的要求，規(guī)定要采用HR30Tm試驗(yàn)。美國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在鍍錫板硬度測試時(shí)要在金剛石點(diǎn)砧座上測試。對于厚度0.55~0.77mm的材料要用HR45T標(biāo)尺，對于厚度0.21~0.55mm的材料，要用HR30T標(biāo)尺，對于厚度小于0.21mm的材料，要用HR15T標(biāo)尺。所有測試值都要用HR30Tm來表示。HR15T和HR45T標(biāo)尺下的測試值要換算成HR30T標(biāo)尺的硬度值。

沈陽天星試驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)的PHR-1S型表面洛氏硬度計(jì)就可以選配上述的金剛石砧座，測試馬口鐵等薄片產(chǎn)品。

3、按標(biāo)尺刻度范圍選擇

每種洛氏硬度標(biāo)尺都有一個(gè)可用范圍，這一點(diǎn)很容易從硬度計(jì)刻度盤上的分度來確定。采用金剛石壓頭的黑色刻度（HRA、HRC、HRD）分為0~100個(gè)分度，采用鋼球壓頭的紅色刻度（HRB、HRE、HRF、HRG、HRH、HRK）分為0~130個(gè)分度，在表面洛氏硬度計(jì)上的分度是0~100。事實(shí)上由于種種原因，各種標(biāo)尺的實(shí)際使用范圍往往要低于硬度計(jì)上的分度范圍。

HRC標(biāo)尺的使用范圍是20~70HRC，當(dāng)硬度值小于20HRC時(shí)，因?yàn)閴侯^的圓錐部分壓入太多，靈敏度下降，這時(shí)應(yīng)改用HRB標(biāo)尺。盡管HRC標(biāo)尺被規(guī)定的上限使用值為70HRC，但是當(dāng)試樣硬度大于67HRC時(shí)，壓頭尖端產(chǎn)生的壓力過大，金剛石容易損壞，壓頭的壽命會(huì)大大縮短，因此一般應(yīng)改用HRA標(biāo)尺。

HRA標(biāo)尺的使用范圍是20~88HRA，事實(shí)上該標(biāo)尺的低端也很少采用，因?yàn)?0HRA已經(jīng)相當(dāng)于19HRC，所以HRA標(biāo)尺一般只用于測試硬質(zhì)合金。

HRB標(biāo)尺的使用范圍是20~100HRB，當(dāng)硬度值低于20HRB時(shí)，由于鋼球的壓入深度過大，金屬蠕變加劇，試樣在試驗(yàn)力作用下的變形時(shí)間延長，測試值準(zhǔn)確度降低，此時(shí)應(yīng)改用HRF標(biāo)尺。當(dāng)硬度值大于100HRB時(shí)，因?yàn)殇撉驂喝肷疃冗^淺，靈敏度降低，精度下降，此時(shí)應(yīng)改用HRC標(biāo)尺。

盡管標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定HRB標(biāo)尺的使用范圍是20~100HRB，但是在我國，由于HRB標(biāo)尺的中、低值標(biāo)準(zhǔn)硬度塊的短缺，使得HRB標(biāo)尺的實(shí)際應(yīng)用范圍只局限于70HRB~100HRB之間，這樣就大大地影響了HRB這一洛氏硬度重要標(biāo)尺在我國的應(yīng)用，使得在軟鋼和銅合金硬度測試方面缺少了一個(gè)非常重要的檢測手段。相應(yīng)的我國產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中材料硬度的測試方面，洛氏硬度試驗(yàn)方法的采用也明顯落后于國外標(biāo)準(zhǔn)。

HRF標(biāo)尺的使用范圍是60~100HRF。HRF標(biāo)尺是國外使用很多的一個(gè)標(biāo)尺，它是測試純銅和較軟的銅合金材料很好的檢測手段。但是在我國，也存在標(biāo)準(zhǔn)硬度塊短缺的問題，它的應(yīng)用也受到了很大的限制。

HRG標(biāo)尺適用于HRB值接近100的材料，當(dāng)試樣硬度值接近HRB100時(shí)，如果改用HRG標(biāo)尺，就可以大大提高測試的靈敏度，從而提高測試精度。

關(guān)于HRB中低值硬度塊和HRF硬度塊短缺的問題，今后有望得到解決。本公司計(jì)劃在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候開始制造這些特殊的硬度塊，相應(yīng)的技術(shù)準(zhǔn)備已經(jīng)完成，屆時(shí)會(huì)推出來供業(yè)界使用。