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洛氏及表面洛氏硬度试验

试验标准GB/T230-2004《金属洛氏硬度试验》
一、洛氏硬度试验原理
顶角为120°的金刚石圆锥体或一定直径（1.587mm、3.175mm）的淬火钢球或硬质合金球（新标准增加的压头）做压头，先在初试验力的作用下, 将压头压入试件表面一定深度以此作为测量压痕深度的基准，然后再加上主试验力，在总试验力F(初试验力 + 主试验力)作用下, 压痕深度的增量为，经规定时间后，卸除主试验力，压头回升一定高度。于是在试样上得到由主试验力所产生的压痕深度的残余增量。洛氏硬度用下式表示:
洛氏硬度=-/ （原标准为HR=K-e）
---为残余压痕深度 --给定标尺的硬度数 ---给定标尺的单位
金钢石圆锥压头一般用于测定硬度较高的金属材料，压头压入深度通常不超0.2mm试验方法将0.2mm作为标尺,划分为100等分,则无论对哪类指示装置(表盘式、刻度式或数显式),每个洛氏硬度单位均为0.2mm/100=0.002mm,为了做到硬度愈高所指示的数值越大,对残余压入深度为0.2mm时，规定洛氏硬度值为零；而对残余压入深度为零时为100.用满刻度与残余压痕深度之差则可示出洛氏硬度值的高低,即此差值越大,洛氏硬度愈高,反之亦然。为了使残压痕深度用硬度数表示,引入了/的概念,即/=残余压痕深度(mm)/洛氏硬度单位(0.002mm)。这样对于用金刚石圆锥压头的试验,
HR=100-/
.例如：HRC的K值定为100，当压入深度为0.08时，则硬度值 HRC=100-0.08/0.002=60当用球压头进行洛氏硬度试验时,一般用于较软金属材料的硬度测试,由于压入深度较大,有可能使大于0.2mm,因
此方法中规定将0.26mm划分为130等分,每个洛氏硬度单位仍为0.002mm,这样,
HR=130-/.
1、在初试验力下的压入深度；
2、由主试验力引起的压入深度；
3、卸除主试验力后的弹性回复深度；
4、残余压入深度；
5、试样表面；
6、测量基准面；
7、压头位置 洛氏硬度试验原理
符号及名称
＝初试验力 单位N
＝主试验力 单位N
＝总试验力 单位N
＝给定标尺的单位 单位mm
＝给定标尺的硬度数 洛氏硬度试验原理图
=卸除主试验力后，在初试验力下压痕残留的深度（残余压痕深度） 单位mm
标尺：标尺就是不同压头和不同总试验力的组合。目的是为了可以用一种试验机就可以测定从软到硬的金属材料的硬度。每一种标尺用一个大写字母表示，并加在洛氏硬度符号HR的后面，HR前面为硬度数值。我国洛氏硬度试验标准中给出了9种标尺，常用的有HRA、ARB、ABC、其中HRC用途最广。
表5-3 洛氏硬度的试验规范
洛氏硬度
标尺

硬度符号

压头类型
初试验力
Fo/
N
主试验
F1/
N
总试验力
F/
N

适用范围
A
HRA
金刚石圆锥
98.07
490.3
588.4
20HRA～88HRA
B
HRB
直径1.587 5mm球
98.07
882.6
980.7
20HRB～100HRB
C
HRC
金刚石圆锥
98.07
1 373
1 471
20HRC～70HRC
D
HRD
金刚石圆锥
98.07
882.6
980.7
40HRD～77HRD
E
HRE
直径3.175mm球
98.07
882.6
980.7
70HRE～100HRE
F
HRF
直径1.587 5mm球
98.07
490.3
588.4
60HRF～100HRF
G
HRG
直径1.587 5mm球
98.07
1 373
1 471
30HRG～94HRG
H
HRH
直径3.175mm球
98.07
490.3
588.4
80HRH～100HRH
K
HRK
直径3.175mm球
98.07
1 373
1 471
40HRK～100HRK
A、C和D标尺洛氏硬度用硬度值、符号HR和使用的标尺字母表示。
示例：59HRC表示用C标尺测得的洛氏硬度值为59。
B、E、F、G、H和K标尺洛氏硬度用硬度值、符号HR、使用的标尺和球压头代号（钢球为S，硬质合金球为W）表示。
示例：60HRBW表示用硬质合金球压头在B标尺测得的洛氏硬度值为60。
二、表面洛氏硬度原理
表面洛氏硬度试验方法又称轻负荷硬度试验法，它是在洛氏硬度试验法的基础上发展起来的，两者的试验原理完全相同，不同的是初试验力由98.07N改为29.42N, 主试验力分别由490.3N、882.6N、1373N改为117.7N、264.8N、411.9N, 由于初试验力及主试验力均很小，S的单位为0.001mm，而且无论对于金刚石压头还是钢球压头的各表面洛氏硬度标尺，规定的满刻度均为100，因此计算公式仍为HR==100-。与普通洛氏硬度试验相比更宜于测量较薄或经表面热处理及化学热处理后试样的表面硬度。
表面洛氏硬度以符号HR表示，后面加注标尺符号15N、45T等，HR前面为硬度数值。各标尺符号英文字母前面的数字表示所用的总试验力大小，单位为N(kgf)；英文字母表示不同的压头。
例如：15T表示总试验力为147.1N（15 kgf），压头为１.5875的钢球或硬质合金球。
N标尺表面洛氏硬度用硬度值、符号HR、试验力数值（总试验力）和使用的标尺表示。
示例：70HR30N表示用总试验力为294.2N的30N标尺测得的表面洛氏硬度值为70。
T标尺表面洛氏硬度用硬度值、符号HR、试验力数值（总试验力）、使用的标尺和压头代号表示。
示例：40HR30T表示用钢球压头在总试验力为294.2N的30T标尺测得的表面洛氏硬度值为40。
表面洛氏硬度试验常用标尺规范（GB/T230.1-2004 表5-4）
洛氏硬度
标尺

硬度符号

压头类型
初试验力
Fo/
N
主试验
F1/
N
总试验力
F/
N

适用范围
15N
HR15N
金刚石圆锥
29.42
117.7
147.1
70HR15N～94HR15N
30N
HR30N
金刚石圆锥
29.42
264.8
294.2
42HR30N～86HR30N
45N
HR45N
金刚石圆锥
29.42
411.9
441.3
20HR45N～77HR45N
15T
HR15T
直径1.587 5mm球
29.42
117.7
147.1
67HR15T～93R15T
30T
HR30T
直径1.587 5mm 球
29.42
264.8
294.2
29HR30T～82HR30T
45T
HR45T
直径1.587 5mm球
29.42
411.9
441.3
10HR45T～72R45T
a 使用钢球压头的标尺，硬度符号后面加“S”。使用硬质合金球压头的标尺，硬度符号后面加“W”。
三、试验设备及仪器
洛氏硬度计种类很多，以国产为例主要有HR-150、HR-150A、HR-150B等。它们的结构大体相同，一般由机架、试验力产生和变换机构、试验力加卸机构、试样支承机构和压痕深度测量装置等组成，并配有压头
1、机架 它是硬度计上所有部件的支承体，具有良好的刚性和稳定性，结构多为悬臂式。
2、试验力加卸机构 主要包括试验力产生和变换装置、试验力的加卸装置、控制加荷速度装置。
3、试验力产生和变换装置 多数硬度计如HR-150、HR-150A的主试验力采用杠杆加力式，即将砝码重量通过杠杆放大后形成主试验力，通过压头将力加到试样上。
4、控制加荷速度装置，又称缓冲器，作用是加主试验力时，使试验力缓慢地加到试样上，避免发生冲击加载，最常见的是各种油缓冲器。
5、压痕深度测量装置 按其原理可分为杠杆—百分表放大、杠杆—光学放大等，近年发展起来的数字或工作硬度计多采用光栅、电感等深度测量装置。
四、 试样
1、试样表面应光滑平坦，无氧化皮及外来污物，尤其不应有油脂，建议试样表面粗糙度不大于0.8µm，产品或材料标准另有规定除外。
2、试样的制备应使受热或冷加工等因素对表面硬度的影响减至最小。
3、 试验后试样背面不应出现可见变形。
对于用金刚石圆锥压头进行的试验，试样或试验层厚度应不小于残余压痕深度的10倍；对于用球压头进行的试验，试样或试验层的厚度应不小于残余压痕深度的15倍。
例：材料硬度约为40HRC，试确定试样最小厚度。
由公式（5-9）可得压痕深度残余增量
＝100－HRC＝60
由于e的测量单位为0.002mm，换算成mm单位时，为
＝60×0.002＝0.12mm
试样最小厚度为e的10倍，即1.2mm。
五、试验操作要点
1、试验一般在10℃～35℃室温进行。对于温度要求严格的试验，应控制在（23±5）℃之内。
2、选择合适的硬度标尺，在洛氏及表面洛氏硬度试验中，各标尺允许测试的范围不同，为了保证试验结果的正确性，就必须正确地选择标尺。各标尺的用途如下：
HRA主要用于测定硬质材料的洛氏硬度，象硬质合金、很薄很硬的钢材以及表面硬化层较薄的硬化钢材。
HRB是应用较广的洛氏硬度标尺，常用于测定低碳钢、软合金、铝合金及可锻铸铁等中、低硬度材料。
HRC主要用于测定一般钢材、硬度较高的锻件、珠光体可锻铸铁以及淬火+回火的合金钢，是用途最为广泛的洛氏硬度标尺。
HRD主要用于测定较薄的钢材、中等表面硬化的钢以及珠光体可锻铸铁等材料。
HRE用于测定铸铁、铝合金、镁合金以及轴承合金等材料。
HRF主要用于测定硬度较低的有色金属，象退火后的铜合金。由于采用的总试验力较低，也可测定软质的薄合金板。
HRG可用于测定可锻铸铁、铜-镍合金。
HRH主要用于测定硬度很低的有色金属，轻金属如铝、锌、铅等。由于这些金属很软，所以适用于大直径钢球压头在较小试验力下试验。
HRK用于测定轴承合金及较软金属或薄材。
 3、试验前，尤其是改变测量标尺后，应该使用与试验材料的预期硬度值相近的标准洛氏（表面洛氏）硬度块对硬度计进行校验，其示值误差和重复性应符合GB/T230.2-2004、GB/T230.3-2004规定的要求。
对洛氏硬度计的检查方法如下：
1） 在标准洛氏硬度块上压出五个均匀分布的有效压痕并测量硬度值。
硬度值的示值误差δ按下式计算：
－五次硬度测量的算术平均值；
ＨＲ－标准洛氏硬度块的标准值。
2）重复性：在标准硬度块上测五个均布压痕得硬度值H1、H2、H3、H4、H5
则硬度计的示值重复性由下式确定 H5 -H1
4、在施加初试验力后，指示盘或光学投影屏的指示线，不应超过硬度计的最大指示范围。否则应卸除试验力，在试样另一位置重新试验。
5、试样应平衡地放在刚性支承物上，并使压头轴线与试样表面垂直，以避免试样产生位移。应对圆柱武汉试样作适当支承，例如放置在洛氏硬度值不低于60HRC的带有V型槽的钢支座上。尤其应注意使压头、试样、V型槽与硬度计支座中心对中。下列是一些特殊形状的试样和不同类型的载样台配合使用的例子。

1）横截面积较大或较长的扁平试样，可用大平面载样台。
a）标准硬度块及表面平整的小式样，可用ø50～ø60mm的平面载样台。
b）小尺寸试样、薄试样或受试部分平面较小的试样，可用中心凸起的载样台。
c）圆柱形试样可用带V形槽的载样台。
d）大圆球试样，可用球型支座进行试验。
6、使压头与试样表面接触，无冲击和振动地施加初试验力Fo，初试验力保持时间不应超过3s。
7、无冲击和振动地将测量装置调整至基准位置，从初试验力Fo施加至总试验力F的时间应不小于1s且不大于8s。
8、总试验力F保持时间为4s±2s。然后卸除主试验力F1，保持初试验力Fo，经短时间稳定，洛氏硬度值通常从测量装置中直接读数。
进行读数。注；对于低硬度材料，经协商试验力保持时间可以延长，允许偏差±2s。
9、试验过程中，硬度计应避免受到冲击和振动。
10、在大量试验前或距前一试验超过24h，以及压头或支承台移动或重新安装后，均应检查压头和支座安装的正确性，上述调整全的两个试验结果不作为正式数据。
11、两面 相邻压痕中心之间的距离至少应为压痕直径的4倍，并且不应小于2mm；
任一压痕中心距试样边缘的距离至少应为压痕直径的2.5倍，并且不应小于1mm。
12、如无其他规定，每个试样上的试验点数不少于4点，第1点不计
六、试验结果处理
　1、试验报告中给出的（表面）洛氏硬度值应精确至0.5个洛氏单位.修约方法按照GB8170执行。
　2、洛氏及表面洛氏硬度试验可以在有曲面的工件上进行（如轴、轴承等），在曲率半径不大时，对测得的硬度值应加上修正值。从力学角度分析，压头压入具有曲率的试样时，被压处四周的抵抗力比平面试样要低得多，致使压痕深度增加，硬度值降低，曲率半径愈小，硬度值降低愈显著。因此要对所测得的硬度值进行修正后才能与平面上测得的硬度值进行比较。有关各标尺对曲面的修正量可参看GB/T230.1－2004标准的附录C的C.1、C.2、C.3、C.4、及附录D的D.1。
例如：现有两种规格的圆柱体φ6mm、φ65mm，材料为45钢，要求测定退火后的硬度。
经退火处理，φ6mm与φ65mm两种规格圆柱体用Ｃ标尺测定，它们的硬度值分别为HRC12 和HRC18，均超出标尺的测量范围，因此改用Ｂ标尺进行测定，其结果如下：
　1) φ6mm 实测90HRB 修正后 94HRB
　2) φ65mm 实测94HRB 曲率半径大，不必修正。
七、 应用范围及优缺点
洛氏硬度试验优点是通过变换试验标尺可测量硬度较高的材料。压痕较小，可用于半成品或成品检验。试验操作简便迅速，工作效率高，适合于批量检验。其缺点是压痕较小，代表性差。由于材料中有偏析及组织不均匀等缺陷，致使所测硬度值重复性差、分散度大。此外，用不同的标尺测得的硬度值彼此无内在联系，也不能直接进行比较。