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。這9個標尺的套用涵蓋了幾乎所有常用的金屬材料。最常用的標尺是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。這是金屬加工行業套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，但是實際套用上一般只限於測試硬質合金和簿硬鋼帶材料。
基本介紹
- 中文名：硬度計標尺
- 外文名：rockwell hardness tester
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。表面洛氏硬度試驗實際上是小負荷洛氏硬度試驗，在進行洛氏硬度試驗時，當遇到材料較薄，試樣較小或表面硬化層較淺時，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。
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範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ASTM E18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，但有兩種材料除外，第一種是應在顯微維氏硬度計上測試的極薄材料，另一種是應採用布氏硬度計的粗晶粒或組織不均勻的材料。
1. 1 淬火鋼和回火鋼
淬火鋼和回火鋼的硬度試驗主要採用HRC標尺。如果材料較薄，不宜採用HRC標尺時，可以改用HRA標尺。如果材料更薄，可以採用表面洛氏硬度計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，這時就要採用高頻淬火、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零點幾毫米到幾毫米之間。對於表面硬化層較厚的材料，可以採用HRC標尺測試其硬度，對於中等厚度的表面硬化鋼，可採用HRD或HRA標尺，對於薄的表面硬化層應採用表面洛氏硬度HR15N、HR30N、HR45N標尺。對於更薄的表面硬化層，應採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採用HRB標尺，較軟較薄的板材有時也用HRF，薄板材應採用HR15T、HR30T、HR45T標尺。
1. 4 不鏽鋼
不鏽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，硬度測試通常採用HRC或HRB標尺。奧氏體、鐵素體不鏽鋼採用HRB標尺，馬氏體、沉澱硬化不鏽鋼採用HRC標尺，不鏽鋼薄壁管、厚度為1~2mm以下的薄板材料應採用N標尺或T標尺。
1. 5 鍛鋼
鍛鋼通常是採用布氏硬度試驗，由於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，因此一般採用布氏硬度試驗。洛氏硬度計可用於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，但最好採用HRE或HRK標尺，因為HRE和HRK標尺採用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，通常採用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採用HRA標尺。
1. 8 粉末冶金材料
粉末冶金工件的硬度測試可採用HRB、HRF、HRH或HR15T、HR30T標尺，凡是可能的地方，應儘量採用HRB標尺，因為已被證明它具有最佳的分辨能力。由於材料的多孔性，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採用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”。
通常回火黃銅採用HRB標尺，退火黃銅或紫銅採用HRF標尺，薄板材或薄壁管材採用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
硬質鋁合金採用HRB，中等硬度的鋁合金採用HRE、HRF，軟的鋁合金或純鋁採用HRH。
較薄的鋁板或薄壁鋁管採用HR15T、HR30T、HR45T。
1. 11 鋅
鋅板的硬度測試通常採用HRE和HRH，3.2mm以上的厚板用HRE，1.2mm~3.2mm的中板用HRH，薄板採用HR15T、HR30T、HR45T。
1. 12 鈦
鈦合金的硬度很高，通常採用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。因此測試後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：對於採用金剛石壓頭的各種標尺，是殘餘壓痕深度的10倍；對於採用球壓頭的各種標尺，是殘餘壓痕深度的15倍。標準要求，試驗後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採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“最小厚度值”。在某些範圍內，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製的。
圖1 ，試樣最小厚度——洛氏硬度關係圖。（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的套用
圖1來源於國家標準GB/T230.1—2004和國際標準ISO6508-1：1999。在國內套用較多。
對於已知硬度值的試樣，其厚度值應位於曲線上方。例如：圖1.1硬度值為60HRC的試樣，其厚度值應大於0.8mm。對於已知厚度的試樣，在坐標圖上可找到這一厚度值所對應的硬度值，測試範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。這裡應選用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1.4可知，可選用的標尺是HR30T和HR45T。這裡應選用HR45T。
2.2 圖2的套用
圖2來源於美國標準ASTM E18-02。
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儘量選擇試驗力最大的一個標尺，也就是選擇最靠近該坐標點的標尺。
例如：對於厚度為0.8mm，硬度值為60HRC的試樣應選擇HRC標尺。對於厚度為0.8mm，硬度值約為60HRB的試樣應選擇HRF標尺。對於厚度為0.5mm，硬度值為60HRC試樣，應選擇HR45N標尺，對於厚度為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，然後再利用圖2來選擇可用的標尺。
2.3 表2的套用
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。所以這種材料不能採用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對應於73HRD、83HRA、70HR45N、80HR30N、91HR15N。再查表2.1，可知，可選擇的硬度標尺為HR30N和HR15N，這裡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於試樣“最小厚度值”的要求，對於不同硬度的試樣，這一允許的“最小厚度值”也不同。當試樣厚度小於這一允許的“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。當發現硬度測試後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”之後，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。
當試樣的厚度低到即使採用最輕試驗力的標尺仍然會產生“測砧效應”時，還有一種方法可以採用，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”。這種試驗方法適用於可以採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 用於薄片產品硬度測試的HR30Tm試驗
用於薄片產品的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。多年的套用證明這項試驗用於比較目的是非常令人滿意的。它可用於硬度值在80HR30T以下，厚度小於0.6mm直至產品標準中給出的最小厚度的產品。這項試驗需要使用一個金剛石點砧座（支承面很小，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複性。
國內外的鍍錫板（馬口鐵）標準中對於材料硬度的要求，規定要採用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。對於厚度0.55~0.77mm的材料要用HR45T標尺，對於厚度0.21~0.55mm的材料，要用HR30T標尺，對於厚度小於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。
瀋陽天星試驗儀器有限公司生產的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品。
3、按標尺刻度範圍選擇
每種洛氏硬度標尺都有一個可用範圍，這一點很容易通過硬度計刻度盤上的分度來確定。採用金剛石壓頭的黑色刻度（HRA、HRC、HRD）分為0~100個分度，採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。事實上由於種種原因，各種標尺的實際使用範圍往往要低於硬度計上的分度範圍。
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標尺被規定的上限使用值為70HRC，但是當試樣硬度大於67HRC時，壓頭尖端產生的壓力過大，金剛石容易損壞，壓頭的壽命會大大縮短，因此一般應改用HRA標尺。
HRA標尺的使用範圍是20~88HRA，事實上該標尺的低端也很少採用，因為60HRA已經相當於19HRC，所以HRA標尺一般只用於測試硬質合金。
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。
儘管標準中規定HRB標尺的使用範圍是20~100HRB，但是在我國，由於HRB標尺的中、低值標準硬度塊的短缺，使得HRB標尺的實際套用範圍只局限於70HRB~100HRB之間，這樣就大大地影響了HRB這一洛氏硬度重要標尺在我國的套用，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。相應的我國產品標準中材料硬度的測試方面，洛氏硬度試驗方法的採用也明顯落後於國外標準。
HRF標尺的使用範圍是60~100HRF。HRF標尺是國外使用很多的一個標尺，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，它的套用也受到了很大的限制。
HRG標尺適用於HRB值接近100的材料，當試樣硬度值接近HRB100時，如果改用HRG標尺，就可以大大提高測試的靈敏度，從而提高測試精度。
關於HRB中低值硬度塊和HRF硬度塊短缺的問題，今後有望得到解決。瀋陽天星試驗儀器有限公司計畫在適當的時候開始製造這些特殊的硬度塊，相應的技術準備已經完成，屆時會推出來供業界使用。
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