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洛氏硬度

洛氏硬度

洛氏硬度是以壓痕塑性變形深度來確定硬度值的指標,以0.002毫米作為一個硬度單位。在洛氏硬度試驗中採用不同的壓頭和不同的試驗力,會產生不同的組合,對應於洛氏硬度不同的標尺。常用的有3個標尺,其應用涵蓋了幾乎所有常用的金屬材料。

洛氏硬度(HR)測試,當被測樣品過小或者布氏硬度(HB)大於450時,就改用洛氏硬度計量。試驗方法是用一個頂角為120度的金剛石圓錐體或直徑為1.5875mm/3.175mm/ 6.35mm/12.7mm的鋼球,在一定載荷下壓入被測材料表面,由壓痕深度求出材料的硬度。最常用的三種標尺為A、B、C,即HRA、HRB、HRC,要根據實驗材料硬度的不同,選用不同硬度範圍的標尺來表示:

HRA是採用60Kg載荷和鑽石錐壓入器求得的硬度,用於硬度較高的材料。例如:鋼材薄板、硬質合金。

HRB 是採用100Kg載荷和直徑1.5875mm淬硬的鋼球求得的硬度,用於硬度較低的材料。例如:軟鋼、有色金屬、退火鋼等。

HRC 是採用150Kg載荷和鑽石錐壓入器求得的硬度,用於硬度較高的材料。例如:淬火鋼、鑄鐵等。

硬度標尺


洛氏硬度試驗採用三種試驗力,三種壓頭,它們共有9種組合,對應於洛氏硬度的9個標尺:HRA、HRB、HRC、HRD、HRE、HRF、HRG、HRH和HRK。這9個標尺的應用涵蓋了幾乎所有常用的金屬材料。HRA 60kg載荷金剛石錐壓入器;HRB 100kg載荷1/16"直徑鋼球壓頭;HRC 150kg載荷金剛石錐壓入器;最常用標尺是HRC、HRB和HRF,其中HRC標尺用於測試淬火鋼、回火鋼、調質鋼和部分不鏽鋼。這是金屬加工行業應用最多的硬度試驗方法。HRB標尺用於測試各種退火鋼、正火鋼、軟鋼、部分不鏽鋼及較硬的銅合金。HRF標尺用於測試純銅、較軟的銅合金和硬鋁合金。HRA標尺儘管也可用於大多數黑色金屬,但是實際應用上一般只限於測試硬質合金和薄硬鋼帶材料。
表面洛氏硬度試驗採用三種試驗力,兩種壓頭,它們有6種組合,對應於表面洛氏硬度的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,在採用洛氏硬度試驗時,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。這時採用與洛氏硬度試驗相同的壓頭,採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標尺適用於類似洛氏硬度的HRC、HRA和HRD測試的材料;T標尺適用於類似洛氏硬度的HRB、HRF和HRG測試的材料。

測試


有一些標尺(如含N、T、W、X、Y的標尺)是對洛氏硬度試驗的補充,由表面洛氏硬度試驗得出。因為在採用洛氏硬度試驗時,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等情況時,就應改用表面洛氏硬度試驗。
之所以分出這麼多種標尺,是因為在標尺的使用中,越靠近上下限就越不準。
HRC標尺的使用範圍是20~70HRC,當硬度值小於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。儘管HRC標尺的上限值為70HRC,但是當試樣硬度大於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,所以在測量偏HRC標尺上限的硬度時,應使用HRA標尺,因為HRA的上限範圍同HRC相當,但試驗力要小很多。
HRA標尺的使用範圍是20-88HRA,由美國標準ASTM E140可以獲得以下換算關係: 27HRA≈30HRB;60HRA≈100HRB≈20HRC;85.6HRA≈68HRC;可見,在同等數值的情況下,對應標尺的硬度由高到低為C、A、B,但HRA標尺的測試範圍廣,基本包含了HRB和HRC,涵蓋了從軟鋼(HRB)、硬鋼(HRC)到硬質合金的硬度範圍。但事實上,HRA標尺很少用於測試軟鋼,主要用於測試薄硬鋼板、深層滲碳鋼和硬質合金。在硬質合金方面,由於技術進步,有些材料硬度已達到93-94HRA,材料硬度超出HRA的測量範圍上限已成為慣例。依借於HRA標尺測試範圍廣的特性,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,當硬度值小於60HRA時可改用HRB標尺,當硬度值大於60HRA時可改用HRC標尺。
HRB標尺的使用範圍是20~100HRB,當硬度值低於20HRB時,由於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。當硬度值大於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標尺的使用範圍是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。但是在中國,也存在標準硬度塊短缺的問題,它的應用也受到了限制。
HRG標尺適用於HRB值接近100的材料,對於鈹青銅磷青銅、可鍛鑄鐵這些硬度範圍介於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。

區別和換算


鋼材的硬度:金屬硬度(Hardness)的代號為H。
●常規表示有布氏(HB)、洛氏(HRC)、維氏(HV)、里氏(HL)硬度等,其中以HB及HRC較為常用。
●HB應用範圍較廣,一般用於材料較軟的時候,如有色金屬、熱處理之前或退火后的鋼鐵。HRC適用於表面高硬度材料。HRC適用範圍HRC 20-67,相當於HB225-650。兩者的原理區別在於:布氏硬度以壓痕直徑來衡量硬度,而洛氏硬度(HR)以壓痕深度來衡量硬度。洛式硬度壓痕很小,測量值有局部性,須測數點求平均值,適用成品和薄片,歸於無損檢測一類。布式硬度壓痕較大,測量值准,不適用成品和薄片,一般不歸於無損檢測一類。
●HV-適用於顯微鏡分析。維氏硬度(HV)以120kg以內的載荷和頂角為136°的金剛石方形錐壓入器壓入材料表面,用材料壓痕凹坑的載荷除以表面積,即為維氏硬度值(HV)。
●HL手提式硬度計,測量方便,利用衝擊球頭衝擊硬度表面后,產生彈跳;利用沖頭在距試樣表面1mm處的回彈速度與衝擊速度的比值計算硬度,公式:里氏硬度HL=1000×VB(回彈速度)/ VA(衝擊速度),所以撞擊響聲以通透為好。
●最常用的攜帶型里氏硬度計用里氏(HL)測量后可以轉化為:布氏(HB)、洛氏(HRC)、維氏(HV)、肖氏(HS)硬度。

樣品要求


洛氏硬度計和表面洛氏硬度計的標尺(即不同的壓頭和試驗力組合)通常按材料種類、試樣厚度和硬度範圍三方面的因素來選擇,具體選擇方法敘述如下:
按材料種類選擇
A標尺多用於測量碳化鎢、硬質合金、表面硬化零件等等的硬度;
B標尺多用於測量有色金屬、合金及退火鋼等低硬度的零件的硬度;
C標尺多用於測量碳鋼、工具鋼及合金鋼等經淬火、回火處理的試樣的硬度。
按材料選擇並不是一種嚴格的做法。因為每一種材料隨著其所採用的不同的熱處理工藝,其最終硬度不可能相同,因此所適應的硬度標尺也不會相同。
ScaleIndenter
Preliminary
force
P(N)
Total
force
F(N)
HRADiamond cone98.07588.4
HRBBall 1.5875 mm dia.98.07980.7
HRCDiamond cone98.071471
HRDDiamond cone98.07980.7
HREBall 3.175 mm dia.98.07980.7
HRFBall 1.5875 mm dia.98.07588.4
HRGBall 1.5875 mm dia.98.071471
HRHBall 3.175 mm dia.98.07588.4
HRKBall 3.175 mm dia.98.071471
HRLBall 6.350 mm dia.98.07588.4
HRMBall 6.350 mm dia.98.07980.7
HRPBall 6.350 mm dia.98.071471
HRRBall 12.70 mm dia.98.07588.4
HRSBall 12.70 mm dia.98.07980.7
HRVBall 12.70 mm dia.98.071471
HR15NDiamond cone29.42147.1
HR30NDiamond cone29.42294.2
HR45NDiamond cone29.42441.3
HR15TBall 1.5875 mm dia.29.42147.1
HR30TBall 1.5875 mm dia.29.42294.2
HR45TBall 1.5875 mm dia.29.42441.3
HR15WBall 3.175 mm dia.29.42147.1
HR30WBall 3.175 mm dia.29.42294.2
HR45WBall 3.175 mm dia.29.42441.3
HR15XBall 6.350 mm dia.29.42147.1
HR30XBall 6.350 mm dia.29.42294.2
HR45XBall 6.350 mm dia.29.42441.3
HR15YBall 12.70 mm dia.29.42147.1
HR30YBall 12.70 mm dia.29.42294.2
HR45YBall 12.70 mm dia.29.42441.3
按樣品的硬度範圍選擇
1:樣品硬度與材料成分及熱處理工藝的關係:在相同的熱處理工藝下,材料的含碳量越高,材料的硬度也越高。對應於相同的材料,由工藝引起的硬度高低是:淬火、正火、退火。
2:各種洛氏硬度標尺的適應範圍。每種洛氏硬度標尺都有一個可用範圍,這一點很容易從硬度計刻度盤上的分度來確定。
不同洛氏硬度標尺(不包括表面洛氏硬度標尺)的使用範圍如下:
標尺使用範圍硬度符號
A20-88HRAHRA
B20-100HRBHRB
C20-70HRCHRC
D40-77HRDHRD
E70-100HREHRE
F60-100HRFHRF
G30-94HRGHRG
H80-100HRHHRH
K40-100HRKHRK
按厚度或硬化層深度
洛氏硬度試驗對樣品試樣有要求,其厚度不能小於殘餘壓痕深度的10倍,試樣背面不能出現明顯的變形痕迹。由此樣品的厚度決定了載荷的選擇,載荷必須保證其所引起的變形小於樣品的最小厚度。對於每一種硬度試驗,都存在最小可測量厚度。