便攜式里氏硬度計(jì)相鄰壓痕的影響

趙 飛 張 濤

（安徽強(qiáng)華電力發(fā)展有限公司，安徽 合肥 230000）

1 硬度檢測(cè)概述

金屬硬度檢測(cè)主要有兩類試驗(yàn)方法。一類是靜態(tài)試驗(yàn)方法，這類方法試驗(yàn)力的施加是緩慢而無沖擊的。硬度的測(cè)定主要決定于壓痕的深度、壓痕投影面積或壓痕凹印面積的大小。靜態(tài)試驗(yàn)方法包括布氏、洛氏、維氏、努氏、韋氏、巴氏等[1]。另一類試驗(yàn)方法是動(dòng)態(tài)試驗(yàn)法，這類方法試驗(yàn)力的施加是動(dòng)態(tài)的和沖擊性的。這里包括肖氏和里氏硬度試驗(yàn)法。

2 試驗(yàn)

選取一根管材，材質(zhì)12Cr1MoVG，規(guī)格Φ89×16。使用磨砂輪、240 目砂紙、400 目砂紙、600 目砂紙、800 目砂紙進(jìn)行精細(xì)打磨，4%硝酸酒精溶液腐蝕2～3 分鐘。用美國(guó)G&R 公司的便攜式里氏硬度計(jì)HT-2000A 型[2]，沖擊頭為碳化鎢沖擊體（LD 型）。記錄并比較硬度值，BJ-X 型光學(xué)顯微鏡觀察沖擊坑。

2.1 分散區(qū)域的硬度值檢測(cè)

便攜式里氏硬度計(jì)敲擊試樣表面。敲擊3 組數(shù)據(jù)，多組數(shù)據(jù)避免出現(xiàn)偶然誤差，試驗(yàn)時(shí)室溫18℃。12Cr1MoVG 是火力發(fā)電廠常見的金屬材料，組織為珠光體加鐵素體組織，金相組織圖案便于觀察比較。壓痕直徑約600μm，壓痕與正常區(qū)域分界明顯，周邊材料未受到影響，組織均勻分布。壓痕內(nèi)材料致密度發(fā)生變化，組織的圖案呈扭曲變形狀。

表1 記錄了同一根試樣不同位置的三組硬度數(shù)據(jù)，由表1 可以看出，試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)硬度值均勻，相同試驗(yàn)條件下硬度值偏差值為2（HB），檢測(cè)結(jié)果穩(wěn)定。

表1 分散的硬度值Table 1 Dispersed hardness values

2.2 不同距離內(nèi)壓痕的影響

為了驗(yàn)證周邊區(qū)域硬度值是否受到影響，分別距離硬度點(diǎn)壓痕不同距離進(jìn)行沖擊。選擇距離以壓痕直徑為參考依據(jù)，分別選取5 倍直徑、4 倍直徑、3 倍直徑、2 倍直徑、1倍直徑、0.5 倍直徑進(jìn)行測(cè)試。圖2 為距離0.5 倍壓痕直徑的結(jié)果，兩個(gè)壓痕分界明顯，周邊組織未發(fā)生明顯變化，組織均勻分布。壓痕內(nèi)材料致密度發(fā)生變化，壓痕內(nèi)組織的圖案呈扭曲變形狀。

由表2 可以看出，不同距離內(nèi)硬度值最大偏差為10（HB），試驗(yàn)結(jié)果比較接近。

表2 不同距離的硬度值Table 2 Hardness values at different distances

2.3 重疊壓痕的影響

基于上述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們已經(jīng)驗(yàn)證不相連的壓痕互不影響。為了驗(yàn)證壓痕重疊是否會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響，使兩壓痕一半重疊。分別進(jìn)行三組測(cè)試。兩壓痕交接區(qū)域有一條明顯的黑線，下半部分為第一次檢測(cè)時(shí)留下的壓痕，上半部分為第二次檢測(cè)留下的壓痕，第一次檢測(cè)留下的壓痕對(duì)第二次檢測(cè)結(jié)果影響較大。檢測(cè)數(shù)據(jù)見表3，數(shù)據(jù)離散較大，沒有可靠性。

表3 重疊壓痕硬度值Table 3 Overlapping indentation hardness values

3 分析

里氏硬度計(jì)沖擊頭會(huì)對(duì)工件表面材料進(jìn)行沖擊，金屬材料會(huì)在沖擊方向產(chǎn)生塑性變形，這種塑性變形是不可逆的，這種相鄰的兩個(gè)壓痕會(huì)不會(huì)產(chǎn)生硬度值影響，我們從金屬材料形變規(guī)律進(jìn)行分析。一般金屬材料在受到外力時(shí)，首先產(chǎn)生彈性變形，到達(dá)臨界值之后會(huì)產(chǎn)生塑性變形，到達(dá)抗拉或抗壓強(qiáng)度最大值，屈服后斷裂。由此推測(cè)塑性變形只是因?yàn)樵谠摲较蛏鲜艿搅送饬?，而沖擊頭只做簡(jiǎn)單的直線運(yùn)動(dòng)，不對(duì)周邊區(qū)域做直接或間接的沖擊。

以型號(hào)HT-2000A 里氏硬度計(jì)為例，沖擊后留下約直徑600μm 的半圓球坑，坑內(nèi)表面光滑，無凸起或凹坑，體積計(jì)算公式為：

計(jì)算結(jié)果為ΔV=0.057mm3

以塑形變形進(jìn)行分析，將ΔV 體積的金屬壓入到試樣受力方向，該方向內(nèi)金屬材料致密度增大，其周邊金屬材料并未受到擠壓。沖擊頭對(duì)金屬試樣中間位置沖擊，沖擊方向的金屬材料變得更致密，相鄰區(qū)域的金屬材料未發(fā)生變化。

當(dāng)兩壓痕不相連時(shí)，沖擊頭分別對(duì)不同部位的沖擊方向施加沖擊力，非沖擊頭運(yùn)動(dòng)方向未直接受到作用力，未發(fā)生形變。形變部分承受沖擊頭帶來的沖擊力，產(chǎn)生塑性變形。

當(dāng)兩壓痕相連時(shí)，第一次檢測(cè)時(shí)壓痕為正常壓痕，第二次壓痕有一半在第一次壓痕之上。第二次檢測(cè)的沖擊頭抵達(dá)試樣表面時(shí)，一半沖擊頭接觸試樣，一半沖擊頭未接觸試樣；沖擊頭到第一次壓痕的底部時(shí)，受到形變后材料的阻力，沖擊頭達(dá)到行程時(shí)，一半是正常材料，一半是致密材料；回彈時(shí)由于受力不均勻，且致密性不同，所以數(shù)據(jù)不可靠。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)兩壓痕不相連時(shí)，沖擊頭分別對(duì)不同部位的沖擊方向施加沖擊力，非沖擊頭運(yùn)動(dòng)方向未直接受到作用力，未發(fā)生形變。形變部分承受沖擊頭帶來的沖擊力，產(chǎn)生塑性變形。當(dāng)兩壓痕相連時(shí)，第一次檢測(cè)時(shí)壓痕為正常壓痕，第二次壓痕有一半在第一次壓痕之上，檢測(cè)數(shù)據(jù)不可靠。為避免壓痕重疊造成的數(shù)據(jù)偏差，相鄰兩壓痕應(yīng)保持適當(dāng)距離。