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材料的硬度是如何進行檢測的與洛氏硬度計標尺的選擇

2011-06-23

                                    材料的硬度是如何進行檢測的與洛氏硬度計標尺的選擇
 1、材料硬度與洛氏硬度計標尺的選擇  
     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，對應于洛氏硬度的9個標尺。這9個標尺的應用涵蓋了幾乎所有常用的金屬材料。常用標尺是HRC、HRB和HRF，其中HRC標尺用于測試淬火鋼、回火鋼、調質鋼和部分不銹鋼。這是金屬加工行業應用更多的硬度試驗方法。HRB標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標尺用于測試純銅、較軟的銅合金和硬鋁合金。HRA標尺盡管也可用于大多數黑色金屬，但是實際應用上一般只限于測試硬質合金和薄硬鋼帶材料。

    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，對應于表面洛氏硬度的6個標尺。表面洛氏硬度試驗是對洛氏硬度試驗的一種補充，在采用洛氏硬度試驗時，當遇到材料較薄，試樣較小，表面硬化層較淺或測試表面鍍覆層時，就應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果。表面洛氏硬度的N標尺適用于類似洛氏硬度的HRC、HRA和HRD測試的材料；T標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尺通常按材料種類、材料厚度和標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

    美國標準ASTME18給出了根據不同種類的材料，選擇洛氏硬度標尺的參考表。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，但有種材料除外，第一種是應在顯?

    淬火鋼和回火鋼的硬度試驗主要采用HRC標尺。如果材料較薄，不宜采用HRC標尺時，可以改用HRA標尺。如果材料更薄，可以采用表面洛氏硬度計HR15N、HR30N或HR45N標尺。1.2 表面硬化鋼

    在工業生產中，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0.幾~幾.mm。對于表面硬化層較厚的材料，可以采用HRC標尺測試其硬度，對于中等厚度的表面硬化鋼，可采用HRD或HRA標尺，對于薄的表面硬化層應采用表面洛氏硬度HR15N、HR30N、HR45N標尺。1.3 退火鋼、正火鋼、軟鋼

    許多鋼鐵材料都是以退火狀態出廠的，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標尺，較軟較薄的板材有時也用HRF，薄板材應采用HR15T、HR30T、HR45T標尺。1.4 不銹鋼

    不銹鋼材料通常是以退火、淬火、回火、固溶等狀態供貨的，國家標準中規定了相應的硬度上、下限值，硬度測試通常采用HRC或HRB標尺。奧氏體、鐵素體不銹鋼采用HRB標尺，馬氏體、沉淀硬化不銹鋼采用HRC標尺，不銹鋼薄壁管、厚度為1~2mm以下的薄板材料應采用N標尺或T標尺。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，布氏硬度試驗能夠反映材料各部分組織性能的綜合結果。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標尺測試硬度，但更好采用HRE或HRK標尺，因為HRE和HRK標尺采用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。硬的可鍛鑄鐵材料，通常采用HRC，如果材料不均勻，可測多個數據，取其平均值。1.7 燒結碳化物（硬質合金）

    硬質合金材料的硬度測試通常只采用HRA標尺。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標尺，凡是可能的地方，應盡量采用HRB標尺，因為已被證明它具有更佳的分辨能力。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標尺。在測試黃銅板的質量方面，洛氏硬度試驗起著非常重要的作用。美國標準ASTMB36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快而方便的方法”。通常回火黃銅采用HRB標尺，退火黃銅或紫銅采用HRF標尺，薄板材或薄壁管材采用HR15T、HR30T、HR45T標尺。各國銅材料標準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標尺的上下限硬度值。1.10 鋁及鋁合金

    硬質鋁合金采用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

    氏硬度試驗要求試樣厚度的小值：對于采用金剛石壓頭的各種標尺，是殘余壓痕深度的10倍；對于采用球壓頭的各種標尺，是殘余壓痕深度的15倍。標準要求，試驗后試樣背面不可產生可見的變形痕跡。

    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，因為有一些標準圖表可以方便地幫助人們確定這些“小厚度值”。在某些范圍內，這些“小厚度值”是按10：1或15：1的比例計算出來的，但是大多數是根據低碳鋼和淬火回火帶鋼的不同厚度在實驗中所積累的數據繪制的。

a －這些近似硬度數用于選擇適當的標尺，不得用作硬度換算。如果需要將硬度試驗讀數換成其他標尺時，可參考ASTM-E140"金屬的標準硬度換算表"（布氏硬度，韋氏硬度，洛氏硬度，表面洛氏硬度及努氏硬度之間的關系）。

注－對于一給定厚度，硬度大于與此厚度相應的任何硬度，均可試驗。對于一給定硬度，厚度大于與此硬度相應的
任何厚度的材料，均可在指定標尺上試驗。
厚度 洛氏標尺

a －這些近似硬度數用于選擇適當的標尺，不得用作硬度換算。如果需要將硬度試驗讀數換成其他標尺時，可參考ASTM-E140"金屬的標準硬度換算表"（布氏硬度，韋氏硬度，洛氏硬度，表面洛氏硬度及努氏硬度之間的關系）。
表2.3 HR15N , HR30N , HR45N 的選擇

注－對于一給定厚度，硬度大于與此厚度相應的任何硬度，均可試驗。對于一給定硬度，厚度大于與此硬度相應的任何厚度的材料，均可在指定標尺上試驗。

a －這些近似硬度數用于選擇適當的標尺，不得用作硬度換算。如果需要將硬度試驗讀數換成其他標尺時，可參考ASTM-E140"金屬的標準硬度換算表"（布氏硬度，韋氏硬度，洛氏硬度，表面洛氏硬度及努氏硬度之間的關系）。

表2.4 HR15T , HR30T , HR45T 的選擇

表2.4采用/16英寸（1.588毫米）直徑的鋼球壓頭時標尺選擇指南。

注－對于一給定厚度，硬度大于與此厚度相應的任何硬度，均可試驗。對于一給定硬度，厚度大于與此硬度相應的
任何厚度的材料，均可在指定標尺上試驗。

a －這些近似硬度數用于選擇適當的標尺，不得用作硬度換算。如果需要將硬度試驗讀數換成其他標尺時，可參考ASTM-E140"金屬的標準硬度換算表"（布氏硬度，韋氏硬度，洛氏硬度，表面洛氏硬度及努氏硬度之間的關系）。

    2.1圖1的應用

    圖1來源于國家標準GB/T230.1—2004和國際標準ISO6508-1：1999。在國內應用較多。

    對于已知硬度值的試樣，其厚度值應位于曲線上方。例如：圖1.1硬度值為60HRC的試樣，其厚度值應大于0.8mm。對于已知厚度的試樣，在坐標圖上可找到這一厚度值所對應的硬度值，測試范圍包括這一硬度值的各個標尺都可以選擇，但是為了實現高的靈敏度和精度。通常選用試驗力大的那一個標尺。例如：在圖1.1中一個厚度為0.5mm的淬火鋼試樣，它對應的洛氏硬度值為75，可選的標尺為HRD和HRA，試驗力大一些的是HRD，所以應選用HRD標尺。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，對應的表面洛氏硬度值為50，可選用的標尺為HR30N和HR45N。這里應選用HR45N標尺。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尺可以選用，只能選用表面洛氏硬度標尺。由圖1.3可知，可選用的標尺是HR30T和HR45T。這里應選用HR45T。

    2.2圖2的應用

    利用圖2來選擇洛氏硬度標尺更加方便，更加直觀。

    在圖2上可以很方便地找到一個厚度——硬度值組合所對應的坐標點，凡是這一點左側的標尺都可以選用，但是應注意的是，為了提高靈敏度和精度，在該點左側可選標尺中應盡量選擇試驗力大的一個標尺，也就是選擇靠近該坐標點的標尺。

    例如：對于厚度為0.8mm，硬度值為60HRC的試樣應選擇HRC標尺。對于厚度為0.8mm，硬度值約為60HRB的試樣應選擇HRF標尺。對于厚度為0.5mm，硬度值為60HRC試樣，應選擇HR45N標尺，對于厚度為0.5mm，硬度為60HRB的試樣，應選擇HR15T標尺。

    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來選擇可用的標尺。

    2.3表2的應用

    表2的來源也是美國標準ASTM E18-02。

    表2以表格的形式給出了洛氏硬度標尺的選擇指導。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。根據表2.1，63HRC硬度的材料，其厚度至少為0.7mm，才能進行準確的HRC硬度測試。所以這種材料不能采用HRC標尺。若選用其他標尺，可利用“黑色金屬硬度換算表”查得63HRC對應于73HRD、83HRA、70HR45N、80HR30N、91HR15N。再查表2.1，可知，可選擇的硬度標尺為HR30N和HR15N，這里應選用試驗力較大的HR30N。

    上述例子在利用圖2來選擇標尺時，也會得出相同的結果。

    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尺。

    2.4“測砧效應”

    如前面所述，洛氏硬度試驗標準中有一個關于試樣“小厚度值”的要求，對于不同硬度的試樣，這一允許的“小厚度值”也不同。當試樣厚度小于這一允許的“小厚度值”時，硬度測試時試樣在壓頭的作用下，變形硬化區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確的現象叫做硬度試驗的“測砧效應”。

    2.5“測砧效應”的對策

    為了避免“測砧效應”的發生，應嚴格按照2.1~2.3條的方法，選擇合適的硬度標尺。當發現硬度測試后試樣背面產生了可見的變形痕跡時，應改變標尺，選用輕一級的試驗力進行測試。

    如果發現試樣上產生了“測砧效應”，就應仔細觀察測砧的支承面。多次產生“測砧效應”之后，測砧的支承面上就可能會產生毛刺或很小的壓痕，它們都會影響洛氏硬度測試的準確性，這時應更換計新的測砧。

    為了避免“測砧效應”的產生，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生滑動，這時測試值也是不準確的。

    當試樣的厚度低到既使采用輕試驗力的標尺仍然會產生“測砧效應”時，還有一種方法可以采用，這就是國家標準GB/T230.1-2004附錄A中給出的“薄片產品的HR30Tm試驗”。這種試驗方法適用于可以采用鋼球壓頭的冷軋鋼板，馬口鐵，薄銅板等材料。

    2.6用于薄片產品硬度測試的HR30Tm試驗

    用于薄片產品的HR30Tm試驗，其試驗條件與HR30T相似，經供需雙方協商，允許試樣背面出現變形痕跡。多年的應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直至產品標準中給出的小厚度的產品。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）。金剛石的表面應該是一個經過高度拋光的平面，這種金剛石點砧座可以為試樣下表面提供一個標準的磨擦條件，這樣就可以提高測試的重復性。

    國內外的鍍錫板（馬口鐵）標準中對于材料硬度的要求，規定要采用HR30Tm試驗。美國標準規定，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標尺，對于厚度0.21~0.55mm的材料，要用HR30T標尺，對于厚度小于0.21mm的材料，要用HR15T標尺。所有測試值都要用HR30Tm來表示。HR15T和HR45T標尺下的測試值要換算成HR30T標尺的硬度值。

3 按標尺刻度范圍選擇

   每種洛氏硬度標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，各種標尺的實際使用范?????陀謨捕燃粕系姆侄確段А?

   HRC標尺的使用范圍是20~70HRC，當硬度值小于20HRC時，因為壓頭的圓錐部分壓入太多，靈敏度下降，這時應改用HRB標尺。盡管HRC標尺被規定的上限值為70HRC，但是當試樣硬度大于67HRC時，壓頭尖端承受的壓力過大，金剛石容易損壞，壓頭壽命會大大縮短，因此一般應改用HRA標尺。

HRA標尺的使用范圍是20-88HRA，由美國標準ASTME140可以獲得以下關系：

 27HRA≈30HRB

 60HRA≈100HRB≈20HRC

 85.6HRA≈68HRC

 即：27-60HRA對應于30-100HRB

    60-85.6HRA對應于20-68HRC

 可見，HRA標尺的測試范圍涵蓋了從軟鋼（HRB）、硬鋼（HRC）到硬質合金的硬度范圍。然而，事實上HRA標尺很少用于測試軟鋼，主要用于測試薄硬鋼板、深層滲碳鋼和硬質合金。在硬質合金方面，由于技術進步，有些材料硬度已達到93-94HRA，這已超出標準規定。工程上超出HRA高端的測量范圍已成為慣例。

 HRA標尺有一個特殊用途。在使用洛氏硬度計測試鋼試樣時，如果不知試樣是軟鋼還是硬鋼，可先用HRA標尺試測一下，當硬度值小于60HRA時可改用HRB標尺，當硬度值大于60HRA時可改用HRC標尺。

HRB標尺的使用范圍是20~100HRB，當硬度值低于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，測試值準確度降低，此時應改用HRF標尺。當硬度值大于100HRB時，因為鋼球壓入深度過淺，靈敏度降低，精度下降，此時應改用HRC標尺。

在使用HRB標尺測試鋼試樣時，一個特別值得注意的地方是：當預先不知道試樣是軟鋼還是硬鋼時，決不可使用HRB標尺做測試，因為用鋼球壓頭誤測了淬火鋼，鋼球就可能會變形，鋼球壓頭就會損壞，這是鋼球壓頭損壞的主要原因。遇到這種情況時應先用金剛石壓頭，用HRA標尺測試一下，再決定是用HRB還是用HRC。

 HRF標尺的使用范圍是60~100HRF。HRF標尺是國外使用較多的一個標尺，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，也存在標準硬度塊短缺的問題，它的應用也受到了限制。

 HRG標尺適用于HRB值接近100的材料，對于鈹青銅、磷青銅、可鍛鑄鐵這些硬度范圍介于HRB標尺的高端和HRC標尺低端的材料，如果改用HRG標尺，就可以大大改善測試的靈敏度，提高測試精度