硬度測(cè)試可以驗(yàn)證鋁合金的狀態(tài)，如果硬度測(cè)試時(shí)的參數(shù)選擇不合適，金屬硬度的評(píng)價(jià)結(jié)果就可能不準(zhǔn)確。應(yīng)從硬度測(cè)試的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行控制，其中總試驗(yàn)力保持時(shí)間就是鋁合金材料硬度測(cè)試的控制因素之一。
洛氏硬度測(cè)試的原理是將特定尺寸、形狀和材料的壓頭按規(guī)定分兩級(jí)試驗(yàn)力壓入試樣表面，初始試驗(yàn)力加載后，測(cè)量初始?jí)汉凵疃?隨后施加主試驗(yàn)力，經(jīng)過規(guī)定的保持時(shí)間后,在卸除主試驗(yàn)力、保持初試驗(yàn)力下測(cè)量殘余壓痕深度，再計(jì)算得到洛氏硬度。根據(jù)GB/T 230.1—2018《金屬材料 洛氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》中的要求，若材料要求的總試驗(yàn)力保持時(shí)間超過標(biāo)準(zhǔn)允許的6s，則實(shí)際施加試驗(yàn)力保持時(shí)間應(yīng)在試驗(yàn)結(jié)果中注明。在ASTM E18-20《金屬材料 洛氏硬度的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》中規(guī)定：總試驗(yàn)力保持時(shí)間為2.0~6.0s。當(dāng)材料要求使用比 ASTM E18-20中規(guī)定更長(zhǎng)的總試驗(yàn)力保持時(shí)間時(shí)，應(yīng)在產(chǎn)品規(guī)范中規(guī)定總試驗(yàn)力保持時(shí)間。在這些情況下，應(yīng)記錄并報(bào)告總試驗(yàn)力保持時(shí)間。找出總試驗(yàn)力保持時(shí)間對(duì)硬度測(cè)試結(jié)果的影響規(guī)律，可以提高測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室的質(zhì)量保證能力。
研究人員選擇生產(chǎn)中常用的鋁合金板材和型材進(jìn)行洛氏硬度測(cè)試，針對(duì)不同規(guī)格和狀態(tài)的材料，分別測(cè)量總試驗(yàn)力保持時(shí)間為2，3，5，6，9s時(shí)，這些材料的洛氏硬度。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，得出不同總試驗(yàn)力保持時(shí)間與鋁合金洛氏硬度測(cè)試結(jié)果的關(guān)系。
1、 硬度測(cè)試方法
使用洛氏硬度計(jì)進(jìn)行測(cè)試，校準(zhǔn)設(shè)備的洛氏硬度標(biāo)準(zhǔn)試樣符合ASTM E18-20和GB/T 230.3—2022《金屬材料 洛氏硬度試驗(yàn) 第3部分：標(biāo)準(zhǔn)硬度塊的標(biāo)定》的要求。
選擇測(cè)試的材料有：國(guó)外鋁合金板材2024-T351(非包鋁)、7075-T7351(非包鋁)、7050-T7451(非包鋁)、7075-T651(非包鋁)；國(guó)外鋁合金型材7075-T6511、2024-T3511、7075-T73511；國(guó)內(nèi)鋁合金板材LY12CZ(包鋁)、LC4CS(包鋁)；國(guó)內(nèi)鋁合金型材LY12CZ、LC4CS。以上材料均符合相應(yīng)材料規(guī)范。
國(guó)外洛氏硬度標(biāo)準(zhǔn)試樣符合 ASTM E18-20的要求。日常校驗(yàn)硬度計(jì)時(shí)，在總試驗(yàn)力保持時(shí)間為2，3，5，6，9s時(shí)，校準(zhǔn)結(jié)果均在公差范圍內(nèi)。國(guó)外洛氏硬度測(cè)試所用標(biāo)準(zhǔn)試樣規(guī)格如表1所示。
國(guó)內(nèi)洛氏硬度標(biāo)準(zhǔn)試樣符合 GB/T 230.3—2022的要求。日常校驗(yàn)硬度計(jì)時(shí)，選用盡量接近試樣預(yù)期硬度的標(biāo)準(zhǔn)試樣，在總試驗(yàn)力保持時(shí)間為2，3，5，6，9s時(shí)，校準(zhǔn)結(jié)果均在硬度計(jì)允許的重復(fù)性和偏差范圍內(nèi)。國(guó)內(nèi)洛氏硬度測(cè)試所用標(biāo)準(zhǔn)試樣規(guī)格
如表2所示。
2、 測(cè)試結(jié)果及統(tǒng)計(jì)分析
選取11種不同規(guī)格和狀態(tài)的鋁合金材料，將每種材料加工成6~9個(gè)試樣，在每個(gè)試樣上分別測(cè)量總試驗(yàn)力保持時(shí)間為2，3，5，6，9s時(shí)的洛氏硬度，為了對(duì)所測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分別求出每一種材料在不同總試驗(yàn)力保持時(shí)間下的統(tǒng)計(jì)量，如子樣算術(shù)平均值、子樣標(biāo)準(zhǔn)差、子樣最小值及最大值等。按國(guó)內(nèi)外材料和不同狀態(tài)分別對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理,結(jié)果如表3~5所示，根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，不同規(guī)格和狀態(tài)材料的洛氏硬度與總試驗(yàn)力保持時(shí)間的關(guān)系如圖1~4所示。
GB/T 230.1—2018規(guī)定，總試驗(yàn)力保持時(shí)間為2~6s，即5s是理想的保持時(shí)間，可接受的保持時(shí)間為2~6s；ASTM E18-20規(guī)定，總試驗(yàn)力保持時(shí)間為2.0~6.0s；波音項(xiàng)目文件中規(guī)定，洛氏硬度的標(biāo)準(zhǔn)載荷持續(xù)時(shí)間為3s。按照不同方法要求，對(duì)以上國(guó)外鋁合金材料洛氏硬度測(cè)試結(jié)果與驗(yàn)收值進(jìn)行比較，結(jié)果如表6，7所示。
3、 結(jié)果分析
3.1 總試驗(yàn)力保持時(shí)間對(duì)鋁合金洛氏硬度測(cè)試結(jié)果的影響
由GB/T 230.1—2018中洛氏硬度的測(cè)試原理可知，施加主試驗(yàn)力后，在總試驗(yàn)力保持一定時(shí)間的條件下，材料經(jīng)過比較充分的彈性變形和塑性變形，然后卸除主試驗(yàn)力，讓材料發(fā)生彈性恢復(fù)，通過測(cè)量殘余壓痕深度來計(jì)算洛氏硬度。隨著總試驗(yàn)力保持時(shí)間、負(fù)荷作用時(shí)間及材料變形時(shí)間的延長(zhǎng)，可充分地建立起外力(負(fù)荷)與材料抗力之間的平衡，換句話說，材料變形會(huì)隨著總試驗(yàn)力保持時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增加，相應(yīng)的殘余應(yīng)力也就增大，洛氏硬度就會(huì)降低。在洛氏壓痕以下，不同深度金屬承受的應(yīng)力和產(chǎn)生的變形程度不同，因此材料的組織結(jié)構(gòu)、形變強(qiáng)化抗力和塑性變形抗力的大小等都會(huì)對(duì)其硬度產(chǎn)生不同的影響，并且隨著保持時(shí)間的變化，各種材料洛氏硬度的變化也不盡相同。
從表3，4及圖1，2可以看出，國(guó)外板材和型材在2~9s的總試驗(yàn)力保持時(shí)間下，隨著總試驗(yàn)力保持時(shí)間的延長(zhǎng)，洛氏硬度逐漸降低，呈下降趨勢(shì)。從表6可以看出，在2~9s的總試驗(yàn)力保持時(shí)間下，各種國(guó)外材料的洛氏硬度平均值變化，即單個(gè)試件在不同總試驗(yàn)力保持時(shí)間下的最大偏差為0.3~0.8HRB，這些變化值均小于標(biāo)準(zhǔn)允許的最大偏差3.5HRB。
從表5及圖3，4可以看出，LC4CS、LY12CZ板材和型材在2~9s的總試驗(yàn)力保持時(shí)間下，隨著總試驗(yàn)力保持時(shí)間的延長(zhǎng)，洛氏硬度呈下降趨勢(shì)。從表5可以看出，在2~9s的總試驗(yàn)力保持時(shí)間下，各種國(guó)內(nèi)材料的洛氏硬度平均值變化，即單個(gè)試件在不同總試驗(yàn)力保持時(shí)間下的最大偏差為0.3~1.0HRB。
從表6，7可以看出，不同方法所要求的總試驗(yàn)力保持時(shí)間下測(cè)得的鋁合金硬度是不同的，將國(guó)外鋁合金材料硬度與3s保持時(shí)間下的測(cè)試結(jié)果相比較，保持時(shí)間越長(zhǎng)，偏差越大；將國(guó)內(nèi)鋁合金材料硬度與5s保持時(shí)間下的測(cè)試結(jié)果相比較，5s保持時(shí)間的硬度測(cè)試結(jié)果是最低的，保持時(shí)間的絕對(duì)差值越大，偏差越大。
3.2 包鋁層對(duì)鋁合金洛氏硬度的影響
包鋁層是指在硬鋁及超硬鋁表面包上一層高純鋁或者含鋅元素1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的新鋁合金層，鋁合金包鋁是為了保護(hù)合金材料不受腐蝕，提高材料的耐蝕性，包鋁層是一種近乎純鋁的合金，包鋁層本身的硬度比基體要低很多。某企標(biāo)中規(guī)定：在正常包鋁的情況下，LY12CZ及LC4CS鋁合金板材在板厚不大于2.5mm時(shí)，每面包覆層平均厚度占總厚度的4%，據(jù)此可以計(jì)算出LY12CZ板材的單面包鋁層平均厚度為0.1mm，而LC4CS板材的單面包鋁層平均厚度為0.06mm。由表7可知，LY12CZ及LC4CS包鋁板材的驗(yàn)收值和測(cè)試值要比其型材(非包鋁)的驗(yàn)收值和測(cè)試值低很多。
3.3 表面粗糙度對(duì)鋁合金洛氏硬度的影響
各種鋁合金的洛氏硬度測(cè)試結(jié)果為60.8~92.1HRB，可以計(jì)算出壓痕深度為0.076~0.138mm。標(biāo)準(zhǔn)中要求，材料表面粗糙度應(yīng)小于3.2μm，而GB/T 230.1—2018中并未對(duì)表面粗糙度有明確要求。由于狀態(tài)檢查是在鋁合金原表面，而硬度的測(cè)試深度較淺，LY12CZ、LC4CS型材的表面略顯粗糙，導(dǎo)致其試驗(yàn)數(shù)據(jù)分散，這可從表5的子樣標(biāo)準(zhǔn)差看出。隨著試樣表面粗糙度的不斷增大，不同硬度試樣中的洛氏硬度在測(cè)試誤差方面會(huì)有所不同，但是低硬度試樣的測(cè)試結(jié)果逐漸呈現(xiàn)出增大趨勢(shì)，且表現(xiàn)較為明顯。另外，在誤差絕對(duì)值的確定方面，表面粗糙度、低硬度也會(huì)對(duì)洛氏硬度測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生一定影響，關(guān)于這一點(diǎn)必須嚴(yán)格注意。
4、 結(jié)語
在不同總試驗(yàn)力保持時(shí)間下，鋁合金材料的洛氏硬度為0.3~1.0HRB，基本呈下降趨勢(shì)。試驗(yàn)結(jié)果為生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)鋁合金狀態(tài)檢查時(shí)的數(shù)據(jù)處理提供了可靠依據(jù)，也可以有效防止因總試驗(yàn)力保持時(shí)間引起的材料硬度偏低，出現(xiàn)不合格現(xiàn)象。由于GB/T 230.1—2018、ASTM E18-20以及不同項(xiàng)目的規(guī)范對(duì)總試驗(yàn)力保持時(shí)間有不同的要求，因此實(shí)驗(yàn)室在按照不同試驗(yàn)方法進(jìn)行相同試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)充分理解方法要求，按照要求給出較為合理的總試驗(yàn)力保持時(shí)間，在提高工作效率的同時(shí)，提高檢測(cè)結(jié)果的真實(shí)程度和穩(wěn)定性，以及實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)水平。
作者：范語萱，孫冠軍
單位：中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司
來源：《理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè)》2023年第10期
