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硬度计标尺的选择

更新时间:2024-06-24      点击次数:237

洛氏硬度试验采用三种试验力,三种压头,它们共有9种组合,对应于洛氏硬度的9个标尺。这9个标尺的应用涵盖了几乎所有常用的金属材料。常用的标尺是HRCHRBHRF,其中HRC标尺用于测试淬火钢、回火钢、调质钢和部分不锈钢。这是金属加工行业应用最多的硬度试验方法。HRB标尺用于测试各种退火钢、正火钢、软钢、部分不锈钢及较硬的铜合金。HRF标尺用于测试纯铜、较软的铜合金和硬铝合金。HRA标尺尽管也可用于大多数黑色金属,但是实际应用上一般只限于测试硬质合金和簿硬钢带材料。

表面洛氏硬度试验采用三种试验力,两种压头,它们有6种组合,对应于表面洛氏硬度的6个标尺。表面洛氏硬度试验实际上是小负荷洛氏硬度试验,在进行洛氏硬度试验时,当遇到材料较薄,试样较小或表面硬化层较浅时,就应改用表面洛氏硬度试验。这时采用与洛氏硬度试验相同的压头,采用只有洛氏硬度试验几分之一大小的试验力,就可以在上述试样上得到有效的硬度试验结果。表面洛氏硬度的N标尺适用于类似洛氏硬度的HRCHRAHRD测试的材料;T标尺适用于类似洛氏硬度的HRBHRFHRG测试的材料。

洛氏硬度计和表面洛氏硬度计的标尺通常按材料种类、材料厚度和标尺的刻度范围三方面的因素来选择,具体选择方法叙述如下:

1、按材料种类选择

美国标准ASTM E18给出了根据不同种类的材料,选择洛氏硬度标尺的参考表。如表一所示:

事实上,所有黑色金属材料均可利用洛氏硬度计测试其硬度,但有两种材料除外,第一种是应在显微维氏硬度计上测试的极薄材料,另一种是应采用布氏硬度计的粗晶粒或组织不均匀的材料。

1. 1 淬火钢和回火钢

淬火钢和回火钢的硬度试验主要采用HRC标尺。如果材料较薄,不宜采用HRC标尺时,可以改用HRA标尺。如果材料更薄,可以采用表面洛氏硬度计HR15NHR30NHR45N标尺。

1. 2 表面硬化钢

在工业生产中,有时要求工件芯部具有良好的韧性,又要求其表面具有高的硬度和耐磨性,这时就要采用高频淬火、化学渗碳、渗氮、碳氮共渗等工艺对工件进行表面硬化处理,表面硬化层的厚度一般在零点几毫米到几毫米之间。对于表面硬化层较厚的材料,可以采用HRC标尺测试其硬度,对于中等厚度的表面硬化钢,可采用HRDHRA标尺,对于薄的表面硬化层应采用表面洛氏硬度HR15NHR30NHR45N标尺。对于更薄的表面硬化层,应采用显微维氏硬度计或超声硬度计。

1. 3 退火钢、正火钢、软钢

许多钢铁材料都是以退火或正火状态出厂的,一些冷轧钢板还要以不同的退火程度来分级。各种退火钢的硬度测试通常采用HRB标尺,较软较薄的板材有时也用HRF,薄板材应采用HR15THR30THR45T标尺。

1. 4 不锈钢

不锈钢材料通常是以退火、淬火、回火、固溶等状态供货的,国家标准中规定了相应的硬度上、下限值,硬度测试通常采用HRCHRB标尺。奥氏体、铁素体不锈钢采用HRB标尺,马氏体、沉淀硬化不锈钢采用HRC标尺,不锈钢薄壁管、厚度为1~2mm以下的薄板材料应采用N标尺或T标尺。

1. 5 锻钢

锻钢通常是采用布氏硬度试验,由于锻钢材料组织不够均匀,而布氏硬度试验的压痕较大。因此,布氏硬度试验能够反映材料各部分组织性能的综合结果。

1. 6 铸铁

铸铁材料常常具有组织不均匀,晶粒粗大的特点,因此一般采用布氏硬度试验。洛氏硬度计可用于部分铸铁工件的硬度试验。凡是在细晶粒铸件的小断面上没有足够面积作布氏硬度试验的地方,常常可用HRBHRC标尺测试硬度,但最好采用HREHRK标尺,因为HREHRK标尺采用3.175mm直径的钢球,它比1.588mm直径钢球能得到更好的平均读数。

硬的可锻铸铁材料,通常采用HRC,如果材料不均匀,可测多个数据,取其平均值。

1. 7 烧结碳化物(硬质合金)

硬质合金材料的硬度测试通常只采用HRA标尺。

1. 8 粉末冶金材料

粉末冶金工件的硬度测试可采用HRBHRFHRHHR15THR30T标尺,凡是可能的地方,应尽量采用HRB标尺,因为已被证明它具有最佳的分辨能力。由于材料的多孔性,测得的硬度值被称为"表观硬度"

1. 9 铜及铜合金

黄铜的硬度测试一般采用HRBHRF标尺。

在测试黄铜板的质量方面,洛氏硬度试验起着非常重要的作用。美国标准ASTM B36述及"洛氏硬度试验是检验各种回火黄铜是否符合拉伸强度或晶粒大小要求最快而方便的方法"

通常回火黄铜采用HRB标尺,退火黄铜或紫铜采用HRF标尺,薄板材或薄壁管材采用HR15THR30THR45T标尺。

各国铜材料标准中都给出了不同的合金材料、不同的退火或回火条件下的HRBHRFHR15THR30THR45T标尺的上下限硬度值。

1. 10 铝及铝合金

硬质铝合金采用HRB,中等硬度的铝合金采用HREHRF,软的铝合金或纯铝采用HRH

较薄的铝板或薄壁铝管采用HR15THR30THR45T

1. 11 

锌板的硬度测试通常采用HREHRH3.2mm以上的厚板用HRE1.2mm~3.2mm的中板用HRH,薄板采用HR15THR30THR45T

1. 12 

钛合金的硬度很高,通常采用HRA,因为金刚石和钛金属间存在亲合性,它会缩短金刚石的寿命。因此测试后要求用细砂纸将附着在压头上的钛金属除掉,保持金刚石压头的清洁就可以延长压头的使用寿命。

2、按材料厚度选择

洛氏硬度试验要求试样厚度的最小值:对于采用金刚石压头的各种标尺,是残余压痕深度的10;对于采用球压头的各种标尺,是残余压痕深度的15倍。标准要求,试验后试样背面不可产生可见的变形痕迹。

任何洛氏硬度试验的压痕深度均可采用简单的公式计算出来。但是实际上用不着这种计算,因为有一些标准图表可以方便地帮助人们确定这些"最小厚度值"。在某些范围内,这些"最小厚度值"是按10:115:1的比例计算出来的,但是大多数是根据低碳钢和淬火回火带钢的不同厚度在实验中所积累的数据绘制的。

2. 1 1的应用

1来源于国家标准GB/T230.1-2004和国际标准ISO6508-1:1999。在国内应用较多。

对于已知硬度值的试样,其厚度值应位于曲线上方。例如:1.1硬度值为60HRC的试样,其厚度值应大于0.8mm。对于已知厚度的试样,在坐标图上可找到这一厚度值所对应的硬度值,测试范围包括这一硬度值的各个标尺都可以选择,但是为了实现高的灵敏度和精度。通常选用试验力大的那一个标尺。例如:在图1.1中一个厚度为0.5mm的淬火钢试样,它对应的洛氏硬度值为75,可选的标尺为HRDHRA,试验力大一些的是HRD,所以应选用HRD标尺。同样是0.5mm厚的淬火钢,也可以用表面洛氏硬度计来测试。如图1.3, 0.5mm厚的淬火钢,对应的表面洛氏硬度值为50,可选用的标尺为HR30NHR45N。这里应选用HR45N标尺。如果是0.5mm厚的软钢或黄铜,由图1.2可知,没有哪一个洛氏硬度标尺可以选用,只能选用表面洛氏硬度标尺。由图1.4可知,可选用的标尺是HR30THR45T。这里应选用HR45T

2.2 2的应用

2来源于美国标准ASTM E18-02

利用图2来选择洛氏硬度标尺更加方便,更加直观。

在图2上可以很方便地找到一个厚度--硬度值组合所对应的坐标点,凡是这一点左侧的标尺都可以选用,但是应注意的是,为了提高灵敏度和精度,在该点左侧可选标尺中应尽量选择试验力最大的一个标尺,也就是选择最靠近该坐标点的标尺。

例如:对于厚度为0.8mm,硬度值为60HRC的试样应选择HRC标尺。对于厚度为0.8mm,硬度值约为60HRB的试样应选择HRF标尺。对于厚度为0.5mm,硬度值为60HRC试样,应选择HR45N标尺,对于厚度为0.5mm,硬度为60HRB的试样,应选择HR15T标尺。

如果已知的硬度值不是HRCHRB,则可利用硬度换算表将已知的硬度值换算成HRCHRB,然后再利用图2来选择可用的标尺。

2.3 2的应用

2的来源也是美国标准ASTM E18-02

2以表格的形式给出了洛氏硬度标尺的选择指导。表2的使用也很方便和直观。

例如:试样是厚度为0.35mm的硬钢带,其硬度值约63HRC。根据表2.163HRC硬度的材料,其厚度至少为0.7mm,才能进行准确的HRC硬度测试。所以这种材料不能采用HRC标尺。若选用其他标尺,可利用"黑色金属硬度换算表"查得63HRC对应于73HRD83HRA70HR45N80HR30N91HR15N。再查表2.1,可知,可选择的硬度标尺为HR30NHR15N,这里应选用试验力较大的HR30N

上述例子在利用图2来选择标尺时,也会得出相同的结果。

如果已知表面硬化钢的近似硬化层深度和硬度值,也可以利用上述方法来选择合适的硬度标尺。

2.4 "测砧效应"

如前面所述,洛氏硬度试验标准中有一个关于试样"最小厚度值"的要求,对于不同硬度的试样,这一允许的"最小厚度值"也不同。当试样厚度小于这一允许的"最小厚度值"时,硬度测试时试样在压头的作用下,变形硬化区域就可能会穿透试样,到达试样下面的测砧,这时试样背面就会产生可见的变形痕迹。这时试验力会穿过试样,在测砧上消耗掉一部分,这时测得的硬度值是不真实的。这种因试样厚度不足,而使试验力消耗到测砧上一部分,造成硬度值测量不准确的现象叫做硬度试验的"测砧效应"

2.5 "测砧效应"的对策

为了避免"测砧效应"的发生,应严格按照2.1~2.3条的方法,选择合适的硬度标尺。当发现硬度测试后试样背面产生了可见的变形痕迹时,应改变标尺,选用轻一级的试验力进行测试。

如果发现试样上产生了"测砧效应",就应仔细观察测砧的支承面。多次产生"测砧效应"之后,测砧的支承面上就可能会产生毛刺或很小的压痕,它们都会影响洛氏硬度测试的准确性,这时应更换新的测砧。

为了避免"测砧效应"的产生,有一种做法是将相同材料的几片试样迭加在一起进行测试。这种方法是不可取的,因为几层试样的接触面之同可能会发生滑动,这时测试值也是不准确的。

当试样的厚度低到即使采用最轻试验力的标尺仍然会产生"测砧效应"时,还有一种方法可以采用,这就是国家标准GB/T230.1-2004附录A中给出的"薄片产品的HR30Tm试验"。这种试验方法适用于可以采用钢球压头的冷轧薄钢带、马口铁、薄铜带、薄铝带等材料。

2.6 用于薄片产品硬度测试的HR30Tm试验

用于薄片产品的HR30Tm试验,其试验条件与HR30T相似,经供需双方协商,允许试样背面出现变形痕迹。多年的应用证明这项试验用于比较目的是非常令人满意的。它可用于硬度值在80HR30T以下,厚度小于0.6mm直至产品标准中给出的最小厚度的产品。这项试验需要使用一个金刚石点砧座(支承面很小的,端面嵌有金刚石的测砧)。金刚石的表面应该是一个经过高度抛光的平面,这种金刚石点砧座可以为试样下表面提供一个标准的磨擦条件,这样就可以提高测试的重复性。

国内外的镀锡板(马口铁)标准中对于材料硬度的要求,规定要采用HR30Tm试验。美国标准规定,在镀锡板硬度测试时要在金刚石点砧座上测试。对于厚度0.55~0.77mm的材料要用HR45T标尺,对于厚度0.21~0.55mm的材料,要用HR30T标尺,对于厚度小于0.21mm的材料,要用HR15T标尺。所有测试值都要用HR30Tm来表示。HR15THR45T标尺下的测试值要换算成HR30T标尺的硬度值。

沈阳天星试验仪器有限公司生产的PHR-1S型表面洛氏硬度计就可以选配上述的金刚石砧座,测试马口铁等薄片产品。

3、按标尺刻度范围选择

每种洛氏硬度标尺都有一个可用范围,这一点很容易从硬度计刻度盘上的分度来确定。采用金刚石压头的黑色刻度(HRAHRCHRD)分为0~100个分度,采用钢球压头的红色刻度(HRBHREHRFHRGHRHHRK)分为0~130个分度,在表面洛氏硬度计上的分度是0~100。事实上由于种种原因,各种标尺的实际使用范围往往要低于硬度计上的分度范围。

HRC标尺的使用范围是20~70HRC,当硬度值小于20HRC时,因为压头的圆锥部分压入太多,灵敏度下降,这时应改用HRB标尺。尽管HRC标尺被规定的上限使用值为70HRC,但是当试样硬度大于67HRC时,压头尖端产生的压力过大,金刚石容易损坏,压头的寿命会大大缩短,因此一般应改用HRA标尺。

HRA标尺的使用范围是20~88HRA,事实上该标尺的低端也很少采用,因为60HRA已经相当于19HRC,所以HRA标尺一般只用于测试硬质合金。

HRB标尺的使用范围是20~100HRB,当硬度值低于20HRB时,由于钢球的压入深度过大,金属蠕变加剧,试样在试验力作用下的变形时间延长,测试值准确度降低,此时应改用HRF标尺。当硬度值大于100HRB时,因为钢球压入深度过浅,灵敏度降低,精度下降,此时应改用HRC标尺。

尽管标准中规定HRB标尺的使用范围是20~100HRB,但是在我国,由于HRB标尺的中、低值标准硬度块的短缺,使得HRB标尺的实际应用范围只局限于70HRB~100HRB之间,这样就大大地影响了HRB这一洛氏硬度重要标尺在我国的应用,使得在软钢和铜合金硬度测试方面缺少了一个非常重要的检测手段。相应的我国产品标准中材料硬度的测试方面,洛氏硬度试验方法的采用也明显落后于国外标准。

HRF标尺的使用范围是60~100HRFHRF标尺是国外使用很多的一个标尺,它是测试纯铜和较软的铜合金材料很好的检测手段。但是在我国,也存在标准硬度块短缺的问题,它的应用也受到了很大的限制。

HRG标尺适用于HRB值接近100的材料,当试样硬度值接近HRB100时,如果改用HRG标尺,就可以大大提高测试的灵敏度,从而提高测试精度。

关于HRB中低值硬度块和HRF硬度块短缺的问题,今后有望得到解决。沈阳天星试验仪器有限公司计划在适当的时候开始制造这些特殊的硬度块,相应的技术准备已经完成,届时会推出来供业界使用。

 

标尺

硬度计压头

初始试验力
P(N)

总试验力
F(N)

应用范围

HRA

金刚石压头

98.07

588.4

钢板:浅表面硬化

HRB

1.5875 mm球压头 

98.07

980.7

铜和铝镁合金;C钢 低退火钢

HRC

金刚石压头

98.07

1471

硬钢;,表面硬化

HRD

金刚石压头

98.07

980.7

薄硬钢;定型钢

HRE

3.175 mm球压头

98.07

980.7

铸铁,,,轴承金属

HRF

1.5875 mm球压头

98.07

588.4

退火铜合金;薄柔软的表面

HRG

1.5875 mm球压头

98.07

1471

锻造:青铜、铜镍合金

HRH

3.175 mm球压头

98.07

588.4

软质材料;高铁;铝合金;铅;锌

HRK

3.175 mm球压头

98.07

1471

铝镁合金

HRL

6.350 mm球压头

98.07

588.4

热塑性塑料

HRM

6.350 mm球压头

98.07

980.7

热塑性塑料

HRR

12.70 mm球压头

98.07

588.4

软塑料和橡胶

 

 

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