包铝层对铝合金维氏硬度试验结果的影响

2024-01-08张文龙

大众标准化 2023年24期

张文龙

（安徽省铝制品质量监督检验中心，安徽淮北 235100）

硬度是标准金属上表面不大体积内抵抗塑性变形或破裂的能力，而维氏硬度因其测量的精确可靠，成为铝合金材料力学性能检测中的一个重要项目。二系铝铜合金的板材因其具有较高的强度，广泛应用在各个工业领域，但由于铝与铜的电位差较大，导致二系铝铜合金耐腐蚀性差。生产厂家为了提高二系铝铜合金的耐腐蚀性，通常会对相应板材进行工艺包铝。

一般的金属材料在进行维氏硬度测量时，即使不同载荷下数值差异也不大，即遵守“硬度与负荷无关”的几何相似定律。维氏硬度的这一特性是因为其从业的压头为136°的金刚石正四棱锥体。当采用正四棱锥后，即使试验载荷改变压痕的几何形状也总保持相似。试验载荷可以任意选择，所测硬度值均相同。

通过对去除包铝层前后的铝合金样条进行不同载荷条件下的维氏硬度测试，分析了有无包铝层时导致的维氏硬度测量结果不完全遵守“几何相似定律”的原因，为铝合金材料的维氏硬度计的测量提供参考依据。

1 试验材料与验方法

1.1 试验材料

试验原材料为二系铝铜合金的韦氏硬度片，其规格为150 mm×25 mm×2.0 mm，产品编号HW 2112-1093，出厂标定方法采用洛氏硬度法E 标尺标定，结果为99.2 HRE；依据JJG 944-2013 进行韦氏硬度换算，换算后的韦氏硬度值为17.5 HWA。将其截断后，A 段进行两面抛光打磨，去除表面包铝层，B 段仅擦拭去除表面脏污。

1.2 试验方法

依据GB/T4340.1-2009，在室温24.3 ℃，相对湿度56 %RH，使用经过上级计量单位计量检定结果为合格的维氏硬度计，该硬度计的示值最大允许误差为±3%。试验通过在不同载荷条件下（HV0.5、HV1、HV2、HV3、HV5、HV10）对去除包铝层前后的铝合金试样进行测试，试验载荷保持时间为20 s。在同一载荷下取3 个点进行维氏硬度测量，并记录相应的平均压痕直径，其结果取平均值（如图1）。

图1 维氏硬度压痕及压头示意图

2 试验结果与分析

2.1 不同载荷下，有包铝层的铝合金试样的试验结果

不同载荷下，有包铝层的铝合金试样的维氏硬度测试结果如表1 所示，可见随着所加载载荷的增加，所测得的维氏硬度数值逐渐增大，与加载载荷呈正相关，这表明在有包铝层的情况下维氏硬度测量并不能代表该铝合金的实际维氏硬度。

表1 不同载荷下，有包铝层的铝合金试样维氏硬度

2.2 不同载荷下，无包铝层的铝合金试样的试验结果

不同载荷下，无包铝层的铝合金试样的维氏硬度测试结果如表2 所示，加载不同载荷的测试结果相差不大，测量结果的偏差均在该维氏硬度计的示值最大允许误差内。

表2 不同载荷下，无包铝层的铝合金试样维氏硬度

2.3 试验结果分析

维氏硬度的计算公式如下：

经过金相显微镜观察，如图2 所示，测量得到该材料表面的包铝层平均厚度为60 μm。由国标GB/T 4340.1-2012 中要求试样或试验层厚度至少应为压痕长度的1.5 倍。可知有包铝层的情况下，当采用最小试验负载HV0.5 时，压痕深度为37.2 μm，金刚石四棱锥压头未穿透60 μm 厚的包铝层，但按照其他已知的维氏硬度试验，可知包铝层这一表面层与铝铜合金接触部位已经发生形变，并由包铝层下方维氏硬度数值更大的铝铜合金承担四棱锥压头的压力。该现象可通过去除包铝层前后的压痕边缘的变形区域看出，包铝层所产生的压痕形变小于其实际应当发生的压痕形变，必然导致F/d2的数值增大，即所测得的维氏硬度大于包铝层的实际维氏硬度。

图2 铝合金试样的横截面

随着试验载荷的增大，压头压入深度逐渐增大并完全突破包铝层，到达内部铝铜合金层，但由于包铝层抵抗塑性变形或破裂的能力小于二系铝铜合金，必然导致所产生的压痕形变大于铝铜合金实际应当发生的压痕形变，但对压痕的影响随着试验负载的增大逐渐，导致F/d2的数值趋于增大但仍小于二系铝铜合金的实际数值。这也将导致对有包铝层的铝合金样片进行维氏硬度测试时，所得维氏硬度与实际数据存在较大偏差，并随着试验载荷的增大，压头压入深度增大，所得到的维氏硬度结果趋于增大但总小于无包铝层时的维氏硬度数值。

因为所采用的压头为金刚石四棱锥压头，使得测试时即使所使用的试验载荷改变，压痕的几何形状也总保持相似；从维氏硬度计算公式可知，所得维氏硬度值必然相同，即维氏硬度测量遵从“几何相似定率”，但这个结论的前提是测试材料材质均匀。该结论与无包铝层的铝合金样条的维氏硬度测试结果结论是相同的；而当有包铝层时，因为包铝层的实际硬度低于内部铝铜合金硬度，必然导致不同试验载荷下所测得维氏硬度数值存在较大偏差，这也从反面证实了该结论的正确，详见图3、图4。