包鋁層對鋁合金維氏硬度試驗(yàn)結(jié)果的影響

張文龍

（安徽省鋁制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，安徽 淮北 235100）

硬度是標(biāo)準(zhǔn)金屬上表面不大體積內(nèi)抵抗塑性變形或破裂的能力，而維氏硬度因其測量的精確可靠，成為鋁合金材料力學(xué)性能檢測中的一個(gè)重要項(xiàng)目。二系鋁銅合金的板材因其具有較高的強(qiáng)度，廣泛應(yīng)用在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，但由于鋁與銅的電位差較大，導(dǎo)致二系鋁銅合金耐腐蝕性差。生產(chǎn)廠家為了提高二系鋁銅合金的耐腐蝕性，通常會(huì)對相應(yīng)板材進(jìn)行工藝包鋁。

一般的金屬材料在進(jìn)行維氏硬度測量時(shí)，即使不同載荷下數(shù)值差異也不大，即遵守“硬度與負(fù)荷無關(guān)”的幾何相似定律。維氏硬度的這一特性是因?yàn)槠鋸臉I(yè)的壓頭為136°的金剛石正四棱錐體。當(dāng)采用正四棱錐后，即使試驗(yàn)載荷改變壓痕的幾何形狀也總保持相似。試驗(yàn)載荷可以任意選擇，所測硬度值均相同。

通過對去除包鋁層前后的鋁合金樣條進(jìn)行不同載荷條件下的維氏硬度測試，分析了有無包鋁層時(shí)導(dǎo)致的維氏硬度測量結(jié)果不完全遵守“幾何相似定律”的原因，為鋁合金材料的維氏硬度計(jì)的測量提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)原材料為二系鋁銅合金的韋氏硬度片，其規(guī)格為150 mm×25 mm×2.0 mm，產(chǎn)品編號HW 2112-1093，出廠標(biāo)定方法采用洛氏硬度法E 標(biāo)尺標(biāo)定，結(jié)果為99.2 HRE；依據(jù)JJG 944-2013 進(jìn)行韋氏硬度換算，換算后的韋氏硬度值為17.5 HWA。將其截?cái)嗪?，A 段進(jìn)行兩面拋光打磨，去除表面包鋁層，B 段僅擦拭去除表面臟污。

1.2 試驗(yàn)方法

依據(jù)GB/T4340.1-2009，在室溫24.3 ℃，相對濕度56 %RH，使用經(jīng)過上級計(jì)量單位計(jì)量檢定結(jié)果為合格的維氏硬度計(jì)，該硬度計(jì)的示值最大允許誤差為±3%。試驗(yàn)通過在不同載荷條件下（HV0.5、HV1、HV2、HV3、HV5、HV10）對去除包鋁層前后的鋁合金試樣進(jìn)行測試，試驗(yàn)載荷保持時(shí)間為20 s。在同一載荷下取3 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行維氏硬度測量，并記錄相應(yīng)的平均壓痕直徑，其結(jié)果取平均值（如圖1）。

圖1 維氏硬度壓痕及壓頭示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同載荷下，有包鋁層的鋁合金試樣的試驗(yàn)結(jié)果

不同載荷下，有包鋁層的鋁合金試樣的維氏硬度測試結(jié)果如表1 所示，可見隨著所加載載荷的增加，所測得的維氏硬度數(shù)值逐漸增大，與加載載荷呈正相關(guān)，這表明在有包鋁層的情況下維氏硬度測量并不能代表該鋁合金的實(shí)際維氏硬度。

表1 不同載荷下，有包鋁層的鋁合金試樣維氏硬度

2.2 不同載荷下，無包鋁層的鋁合金試樣的試驗(yàn)結(jié)果

不同載荷下，無包鋁層的鋁合金試樣的維氏硬度測試結(jié)果如表2 所示，加載不同載荷的測試結(jié)果相差不大，測量結(jié)果的偏差均在該維氏硬度計(jì)的示值最大允許誤差內(nèi)。

表2 不同載荷下，無包鋁層的鋁合金試樣維氏硬度

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

維氏硬度的計(jì)算公式如下：

經(jīng)過金相顯微鏡觀察，如圖2 所示，測量得到該材料表面的包鋁層平均厚度為60 μm。由國標(biāo)GB/T 4340.1-2012 中要求試樣或試驗(yàn)層厚度至少應(yīng)為壓痕長度的1.5 倍。可知有包鋁層的情況下，當(dāng)采用最小試驗(yàn)負(fù)載HV0.5 時(shí)，壓痕深度為37.2 μm，金剛石四棱錐壓頭未穿透60 μm 厚的包鋁層，但按照其他已知的維氏硬度試驗(yàn)，可知包鋁層這一表面層與鋁銅合金接觸部位已經(jīng)發(fā)生形變，并由包鋁層下方維氏硬度數(shù)值更大的鋁銅合金承擔(dān)四棱錐壓頭的壓力。該現(xiàn)象可通過去除包鋁層前后的壓痕邊緣的變形區(qū)域看出，包鋁層所產(chǎn)生的壓痕形變小于其實(shí)際應(yīng)當(dāng)發(fā)生的壓痕形變，必然導(dǎo)致F/d2的數(shù)值增大，即所測得的維氏硬度大于包鋁層的實(shí)際維氏硬度。

圖2 鋁合金試樣的橫截面

隨著試驗(yàn)載荷的增大，壓頭壓入深度逐漸增大并完全突破包鋁層，到達(dá)內(nèi)部鋁銅合金層，但由于包鋁層抵抗塑性變形或破裂的能力小于二系鋁銅合金，必然導(dǎo)致所產(chǎn)生的壓痕形變大于鋁銅合金實(shí)際應(yīng)當(dāng)發(fā)生的壓痕形變，但對壓痕的影響隨著試驗(yàn)負(fù)載的增大逐漸，導(dǎo)致F/d2的數(shù)值趨于增大但仍小于二系鋁銅合金的實(shí)際數(shù)值。這也將導(dǎo)致對有包鋁層的鋁合金樣片進(jìn)行維氏硬度測試時(shí)，所得維氏硬度與實(shí)際數(shù)據(jù)存在較大偏差，并隨著試驗(yàn)載荷的增大，壓頭壓入深度增大，所得到的維氏硬度結(jié)果趨于增大但總小于無包鋁層時(shí)的維氏硬度數(shù)值。

因?yàn)樗捎玫膲侯^為金剛石四棱錐壓頭，使得測試時(shí)即使所使用的試驗(yàn)載荷改變，壓痕的幾何形狀也總保持相似；從維氏硬度計(jì)算公式可知，所得維氏硬度值必然相同，即維氏硬度測量遵從“幾何相似定率”，但這個(gè)結(jié)論的前提是測試材料材質(zhì)均勻。該結(jié)論與無包鋁層的鋁合金樣條的維氏硬度測試結(jié)果結(jié)論是相同的；而當(dāng)有包鋁層時(shí)，因?yàn)榘X層的實(shí)際硬度低于內(nèi)部鋁銅合金硬度，必然導(dǎo)致不同試驗(yàn)載荷下所測得維氏硬度數(shù)值存在較大偏差，這也從反面證實(shí)了該結(jié)論的正確，詳見圖3、圖4。

圖3 HV1 載荷下去除包鋁層前后的壓痕對比

圖4 HV5 載荷下去除包鋁層前后的壓痕對比

3 結(jié)語

（1）對于維氏硬度測量應(yīng)當(dāng)保證使用材質(zhì)均勻的材料進(jìn)行，對含有包鋁層、硬化層以及其他覆蓋層的鋁合金，應(yīng)去除覆蓋層后進(jìn)行維氏硬度試驗(yàn)。

（2）對材料進(jìn)行維氏硬度試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)當(dāng)在試樣試驗(yàn)后背面不出現(xiàn)變形壓痕的前提下進(jìn)行不同載荷下的試驗(yàn)，以排出其他干擾，確保維氏硬度試驗(yàn)結(jié)果的可信度。

（3）對材料進(jìn)行維氏硬度試驗(yàn)時(shí)，若覆蓋層硬度小于本體，則隨著試驗(yàn)載荷的增大，所得維氏硬度數(shù)值逐漸增大，反之亦然；可通過此方法對覆蓋層與本體材料的硬度值進(jìn)行比較。