硬度計標(biāo)尺

洛氏硬度計標(biāo)尺的選擇　　

洛氏硬度試驗采用三種試驗力，三種壓頭，它們共有9種組合，對應(yīng)于洛氏硬度的9個標(biāo)尺。這9個標(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。

表面洛氏硬度試驗采用三種試驗力，兩種壓頭，它們有6種組合，對應(yīng)于表面洛氏硬度的6個標(biāo)尺。表面洛氏硬度試驗實際上是小負荷洛氏硬度試驗，在進行洛氏硬度試驗時，當(dāng)遇到材料較薄，試樣較小或表面硬化層較淺時，就應(yīng)改用表面洛氏硬度試驗。這時采用與洛氏硬度試驗相同的壓頭，采用只有洛氏硬度試驗幾分之一大小的試驗力，就可以在上述試樣上得到有效的硬度試驗結(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。

洛氏硬度計和表面洛氏硬度計的標(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：

事實上，所有黑色金屬材料均可利用洛氏硬度計測試其硬度，但有兩種材料除外，第一種是應(yīng)在顯微維氏硬度計上測試的極薄材料，另一種是應(yīng)采用布氏硬度計的粗晶?；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主要采用HRC標(biāo)尺。如果材料較薄，不宜采用HRC標(biāo)尺時，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HR15N、HR30N或HR45N標(biāo)尺。

1. 2 表面硬化鋼

在工業(yè)生產(chǎn)中，有時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行表面硬化處理，表面硬化層的厚度一般在零點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或超聲硬度計。

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。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，由于鍛鋼材料組織不夠均勻，而布氏硬度試驗的壓痕較大。因此，布氏硬度試驗?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，因此一般采用布氏硬度試驗。洛氏硬度計可用于部分鑄鐵工件的硬度試驗。凡是在細晶粒鑄件的小斷面上沒有足夠面積作布氏硬度試驗的地方，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，因為HRE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，因為已被證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“洛氏硬度試驗是檢驗各種回火黃銅是否符合拉伸強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，因為金剛石和鈦金屬間存在親合性，它會縮短金剛石的壽命。因此測試后要求用細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。

任何洛氏硬度試驗的壓痕深度均可采用簡單的公式計算出來。但是實際上用不著這種計算，因為有一些標(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驗中所積累的數(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標(biāo)尺都可以選擇，但是為了實現(xiàn)高的靈敏度和精度。通常選用試驗力大的那一個標(biāo)尺。例如：在圖1.1中一個厚度為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厚度——硬度值組合所對應(yīng)的坐標(biāo)點，凡是這一點左側(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，在該點左側(cè)可選標(biāo)尺中應(yīng)盡量選擇試驗力最大的一個標(biāo)尺，也就是選擇最靠近該坐標(biāo)點的標(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)選用試驗力較大的HR30N。

上述例子在利用圖2來選擇標(biāo)尺時，也會得出相同的結(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，洛氏硬度試驗標(biāo)準(zhǔn)中有一個關(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，硬度測試時試樣在壓頭的作用下，變形硬化區(qū)域就可能會穿透試樣，到達試樣下面的測砧，這時試樣背面就會產(chǎn)生可見的變形痕跡。這時試驗力會穿過試樣，在測砧上消耗掉一部分，這時測得的硬度值是不真實的。這種因試樣厚度不足，而使試驗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，應(yīng)改變標(biāo)尺，選用輕一級的試驗力進行測試。

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產(chǎn)生毛刺或很小的壓痕，它們都會影響洛氏硬度測試的準(zhǔn)確性，這時應(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行測試。這種方法是不可取的，因為幾層試樣的接觸面之同可能會發(fā)生滑動，這時測試值也是不準(zhǔn)確的。

當(dāng)試樣的厚度低到即使采用最輕試驗力的標(biāo)尺仍然會產(chǎn)生“測砧效應(yīng)”時，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”。這種試驗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

用于薄片產(chǎn)品的HR30Tm試驗，其試驗條件與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)用證明這項試驗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。這項試驗需要使用一個金剛石點砧座（支承面很小的，端面嵌有金剛石的測砧）。金剛石的表面應(yīng)該是一個經(jīng)過高度拋光的平面，這種金剛石點砧座可以為試樣下表面提供一個標(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。美國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在鍍錫板硬度測試時要在金剛石點砧座上測試。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。

沈陽天星試驗儀器有限公司生產(chǎn)的PHR-1S型表面洛氏硬度計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)尺都有一個可用范圍，這一點很容易從硬度計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個分度，采用鋼球壓頭的紅色刻度（HRB、HRE、HRF、HRG、HRH、HRK）分為0~130個分度，在表面洛氏硬度計上的分度是0~100。事實上由于種種原因，各種標(biāo)尺的實際使用范圍往往要低于硬度計上的分度范圍。

HRC標(biāo)尺的使用范圍是20~70HRC，當(dāng)硬度值小于20HRC時，因為壓頭的圓錐部分壓入太多，靈敏度下降，這時應(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，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，事實上該標(biāo)尺的低端也很少采用，因為60HRA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，由于鋼球的壓入深度過大，金屬蠕變加劇，試樣在試驗力作用下的變形時間延長，測試值準(zhǔn)確度降低，此時應(yīng)改用HRF標(biāo)尺。當(dāng)硬度值大于100HRB時，因為鋼球壓入深度過淺，靈敏度降低，精度下降，此時應(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，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。本公司計劃在適當(dāng)?shù)臅r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，屆時會推出來供業(yè)界使用。