不同總試驗(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

范語(yǔ)萱,孫冠軍

(中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司,西安 710089)

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(guò)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(guò)標(biāo)準(zhǔn)允許的6 s,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2.0～6.0 s。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。

筆者選擇生產(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2,3,5,6,9 s時(shí),這些材料的洛氏硬度。通過(guò)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TH300型洛氏硬度計(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2,3,5,6,9 s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。

表1 國(guó)外洛氏硬度測(cè)試所用標(biāo)準(zhǔn)試樣規(guī)格HRB

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2,3,5,6,9 s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。

表2 國(guó)內(nèi)洛氏硬度測(cè)試所用標(biāo)準(zhǔn)試樣規(guī)格HRB

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2,3,5,6,9 s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。

圖1 國(guó)外板材的HRB值與總試驗(yàn)力保持時(shí)間的關(guān)系

圖2 國(guó)外型材的HRB值與總試驗(yàn)力保持時(shí)間的關(guān)系

表3 國(guó)外鋁合金板材的洛氏硬度測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理結(jié)果

表4 國(guó)外鋁合金型材的洛氏硬度測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理結(jié)果

GB/T 230.1—2018規(guī)定,總試驗(yàn)力保持時(shí)間為2～6 s,即5 s是理想的保持時(shí)間,可接受的保持時(shí)間為2～6 s;ASTM E18-20規(guī)定,總試驗(yàn)力保持時(shí)間為2.0～6.0 s;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3 s。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(guò)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(guò)測(cè)量殘余壓痕深度來(lái)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(shuō),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[1]。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2～9 s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2～9 s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0.3～0.8 HRB,這些變化值均小于標(biāo)準(zhǔn)允許的最大偏差3.5 HRB。

從表5及圖3,4可以看出,LC4CS、LY12CZ板材和型材在2～9 s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2～9 s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0.3～1.0 HRB。

圖3 國(guó)內(nèi)LY12CZ板材及型材的HRB值與總試驗(yàn)力保持時(shí)間的關(guān)系

圖4 國(guó)內(nèi)LC4CS板材及型材的HRB值與總試驗(yàn)力保持時(shí)間的關(guān)系

表5 國(guó)內(nèi)鋁合金板材及型材的洛氏硬度測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理結(jié)果

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3 s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5 s保持時(shí)間下的測(cè)試結(jié)果相比較,5 s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。

表6 國(guó)外鋁合金材料洛氏硬度測(cè)試結(jié)果與驗(yàn)收值的比較

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2.5 mm 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0.1 mm,而LC4CS板材的單面包鋁層平均厚度為0.06 mm。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。

表7 國(guó)內(nèi)鋁合金材料硬度測(cè)試結(jié)果與驗(yàn)收值的比較

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60.8～92.1 HRB,可以計(jì)算出壓痕深度為0.076～0.138 mm。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[2]。

4 結(jié)語(yǔ)

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0.3～1.0 HRB,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。