961材料實驗室硬度與現(xiàn)場硬度的差異性分析

張發(fā)中， 王從軍， 馮秀棚， 王文戀， 李 奎

（1.貴州安大航空鍛造有限責(zé)任公司， 貴州 安順 561005；2.空軍裝備部駐安順地區(qū)軍事代表室， 貴州 安順 561008）

0 引 言

對造成961材料實驗室硬度與現(xiàn)場硬度差異性的原因進(jìn)行分析，旨在找出差異形成的原因，可在一定程度上避免重復(fù)試驗及資源浪費，提高產(chǎn)品交付率。961 材料硬度試驗類型為布氏硬度，布氏硬度測量采用壓入法試驗，試驗機(jī)壓頭以垂直于試樣表面的方向接觸試樣，并施加試驗力F。試驗力保持規(guī)定的保荷時間然后移除，在至少2 個互相垂直的方向測量壓痕的直徑，用壓痕直徑的平均值表示布氏硬度值。

1 實驗室硬度與現(xiàn)場硬度原始數(shù)據(jù)統(tǒng)計

以961 材料環(huán)形件進(jìn)行原始數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，該鍛件的預(yù)備熱處理：990～1010 ℃正火，空冷，730～750 ℃回火，空冷。最終熱處理：1 000～1 020 ℃淬火，油冷，540～590 ℃回火，空冷。力學(xué)性能指標(biāo)要求如表1所示。

表1 力學(xué)性能指標(biāo)要求

共統(tǒng)計8爐鍛件實驗室硬度與現(xiàn)場硬度進(jìn)行對比，首次測量現(xiàn)場硬度均合格，實驗室硬度壓痕直徑超上限均不合格，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 實驗室硬度與現(xiàn)場硬度原始數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

2 差異性原因分析

2.1 影響因素

根據(jù)硬度測試及試驗的過程，確定影響試驗結(jié)果的因素，以人、機(jī)、料、法、環(huán)、測對2個硬度試驗過程進(jìn)行對比，具體如表3所示。

表3 影響因素對比

通過表3對比可以看出，2個硬度試驗主要差異在于“料”，即試驗試樣的差別。為進(jìn)一步排除其他因素干擾，按照GB/T 231.2-2022《金屬材料布氏硬度試驗》進(jìn)行了一次設(shè)備及測量裝置的日常檢定，采用標(biāo)準(zhǔn)硬度塊（編號B2202111，壓痕平均直徑/布氏硬度值：φ3.055mm/400HBW）對試驗設(shè)備、壓痕測量裝置進(jìn)行了驗證，共計進(jìn)行8 組硬度試驗進(jìn)行對比，對比數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 采用標(biāo)準(zhǔn)硬度塊進(jìn)行試驗雙方數(shù)據(jù)對比

通過日常檢定數(shù)據(jù)的對比發(fā)現(xiàn)：在標(biāo)準(zhǔn)硬度塊上進(jìn)行試驗時，硬度結(jié)果穩(wěn)定，且布氏硬度結(jié)果重復(fù)性R和誤差E均滿足試驗方法的要求，硬度計及壓痕測量裝置均滿足要求，因而試驗結(jié)果的差異并不是試驗設(shè)備或壓痕測量裝置引起。以下將從造成兩者結(jié)果差異的原因即試驗試樣的差異進(jìn)行分析。

2.2 試驗試樣的對比分析

實驗室硬度試樣（見圖1）制備工序：下料（一般尺寸為15 mm×15 mm×55 mm）→銑削（按尺寸11 mm×11 mm×55 mm 銑削外形尺寸及端面，保證相對面平面度、相鄰面垂直度要求，在試樣端面進(jìn)行區(qū)分標(biāo)識）→磨削（粗磨至10 mm×10 mm×55 mm，預(yù)留0.05～0.1 mm 精磨余量，精磨至10 mm×10 mm×55 mm，保證尺寸公差、形位公差及粗糙度的要求）。

圖1 實驗室硬度試樣

現(xiàn)場硬度試樣：采用砂輪機(jī)打磨鍛件表面，之后進(jìn)行硬度試驗，如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場硬度試樣

實驗室硬度試樣表面如圖3 所示，現(xiàn)場硬度試樣表面如圖4所示。2個硬度試樣有明顯的區(qū)別，相對于實驗室加工標(biāo)準(zhǔn)硬度試樣，現(xiàn)場硬度一方面受限于鍛件規(guī)格、任務(wù)量、現(xiàn)場條件的限制，另一方面由于鍛件硬度值較高，一般在368～325 HBW（直徑φ3.18～φ3.38 mm 時對應(yīng)的硬度值），在僅對鍛件表面進(jìn)行砂輪打磨即進(jìn)行硬度試驗時，難以保證鍛件表面的平面度及粗糙度。因而在進(jìn)行硬度試驗的時候，其壓痕測量裝置的相切點（或相切線）無法定位準(zhǔn)確，造成與實驗室硬度值較大的差異。

圖3 實驗室硬度試樣表面（×20）

圖4 現(xiàn)場硬度試樣表面（×20）

由于鍛件硬度值較高，砂輪打磨困難，如果僅將鍛件表面氧化皮（黑皮）打磨就進(jìn)行試驗，難以保證鍛件表面的脫碳層被完全去除（脫碳層深度多在0～0.3 mm，最厚一般不超過1 mm），由于脫碳層相對較軟，這也會導(dǎo)致現(xiàn)場硬度低于實驗室硬度，造成現(xiàn)場硬度合格但實驗室硬度偏高的現(xiàn)象。經(jīng)計算，φ3.02～φ3.38 mm 的壓痕深度僅相差0.15 mm，如表5所示。

表5 961材料鍛件壓痕直徑與壓痕深度對照

為保證硬度檢驗的準(zhǔn)確性，需要將鍛件表面脫碳層完全去除，在進(jìn)行硬度試驗前應(yīng)至少保證將鍛件表面磨削1～3 mm的表面深度，再進(jìn)行硬度試驗。

3 鍛件抗拉強(qiáng)度與硬度關(guān)系分析

金屬材料的硬度與抗拉強(qiáng)度之間基本呈正比關(guān)系，除對硬度試驗過程、試驗試樣等方面進(jìn)行分析外，還對該類型鍛件實驗室近3 年數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，以期得到一個基本的強(qiáng)度-硬度關(guān)系方程式。將硬度值與抗拉強(qiáng)度一一對應(yīng)后，共計33 組數(shù)據(jù)值，如表6所示。

表6 鍛件抗拉強(qiáng)度與硬度值統(tǒng)計

根據(jù)統(tǒng)計的抗拉強(qiáng)度及硬度數(shù)據(jù)，擬合了抗拉強(qiáng)度與硬度的關(guān)系，如圖5所示。

圖5 抗拉強(qiáng)度與硬度的關(guān)系

通過以上硬度試驗數(shù)據(jù)，得到抗拉強(qiáng)度與硬度的一階關(guān)系方程式：y=-671.59x+3 336.37，其中x代表材料硬度值，y代表材料抗拉強(qiáng)度值。根據(jù)公式可以得出：當(dāng)該類型鍛件抗拉強(qiáng)度接近1 200 MPa時，硬度壓痕直徑小于φ3.18 mm，硬度超出標(biāo)準(zhǔn)要求范圍，造成產(chǎn)品不合格。

為觀察該類型鍛件在硬度值相差較大的情況下，鍛件金相組織是否存在較大的差異，以φ3.02、φ3.18、φ3.28、φ3.38 mm為基準(zhǔn)點進(jìn)行高倍金相組織試驗，如圖6～圖9所示。

圖6 φ3.02 mm硬度試樣金相組織

圖8 φ3.28 mm硬度試樣金相組織

圖9 φ3.38 mm硬度試樣金相組織

由圖6～圖9 可以看出，該類型鍛件雖然硬度之間存在較大的差異，但是高倍金相組織之間并沒有較大的差異，材料組織相對比較穩(wěn)定。

4 結(jié)束語

（1）通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，當(dāng)該類型鍛件抗拉強(qiáng)度超過1 200 MPa 時，硬度壓痕直徑將小于φ3.18 mm，造成硬度超出標(biāo)準(zhǔn)要求范圍而不合格。通過觀察高倍金相組織，雖然鍛件硬度存在較大的差異，但其金相組織并沒有太大的差異，材料組織相對比較穩(wěn)定。

（2）通過日常檢定數(shù)據(jù)及試樣的對比發(fā)現(xiàn)：雙方布氏硬度結(jié)果重復(fù)性R和誤差E均滿足試驗方法的要求，試驗結(jié)果的差異并不是試驗設(shè)備或壓痕測量裝置引起。兩者產(chǎn)生硬度差異的主要原因在于試樣加工表面的差異，現(xiàn)場硬度主要受限于鍛件規(guī)格、任務(wù)量以及現(xiàn)場條件的限制，難以保證鍛件表面的平面度及粗糙度，在進(jìn)行硬度試驗時與實驗室硬度值產(chǎn)生較大的差異。

（3）由于鍛件硬度值較高，打磨相對困難，在進(jìn)行現(xiàn)場硬度試驗時，如果僅將鍛件表面氧化皮（黑皮）打磨就進(jìn)行試驗，難以保證鍛件表面的脫碳層被完全去除，脫碳層相對較軟，這也會導(dǎo)致現(xiàn)場硬度會低于實驗室硬度，造成在現(xiàn)場硬度合格時實驗室硬度偏高而不合格。因而為保證試驗結(jié)果的一致性，現(xiàn)場試驗時需要處理好鍛件表面磨削質(zhì)量（保證粗糙度及平面度）及磨削深度（一般需磨削1～3 mm）。