961材料實驗室硬度與現場硬度的差異性分析

張發中， 王從軍， 馮秀棚， 王文戀， 李 奎

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

0 引 言

對造成961材料實驗室硬度與現場硬度差異性的原因進行分析，旨在找出差異形成的原因，可在一定程度上避免重復試驗及資源浪費，提高產品交付率。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 實驗室硬度與現場硬度原始數據統計

以961 材料環形件進行原始數據的統計，該鍛件的預備熱處理：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。力學性能指標要求如表1所示。

表1 力學性能指標要求

共統計8爐鍛件實驗室硬度與現場硬度進行對比，首次測量現場硬度均合格，實驗室硬度壓痕直徑超上限均不合格，具體數據如表2所示。

表2 實驗室硬度與現場硬度原始數據統計表

2 差異性原因分析

2.1 影響因素

根據硬度測試及試驗的過程，確定影響試驗結果的因素，以人、機、料、法、環、測對2個硬度試驗過程進行對比，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》進行了一次設備及測量裝置的日常檢定，采用標準硬度塊（編號B2202111，壓痕平均直徑/布氏硬度值：φ3.055mm/400HBW）對試驗設備、壓痕測量裝置進行了驗證，共計進行8 組硬度試驗進行對比，對比數據如表4所示。

表4 采用標準硬度塊進行試驗雙方數據對比

通過日常檢定數據的對比發現：在標準硬度塊上進行試驗時，硬度結果穩定，且布氏硬度結果重復性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，因而試驗結果的差異并不是試驗設備或壓痕測量裝置引起。以下將從造成兩者結果差異的原因即試驗試樣的差異進行分析。

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，在試樣端面進行區分標識）→磨削（粗磨至10 mm×10 mm×55 mm，預留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

現場硬度試樣：采用砂輪機打磨鍛件表面，之后進行硬度試驗，如圖2所示。

圖2 現場硬度試樣

實驗室硬度試樣表面如圖3 所示，現場硬度試樣表面如圖4所示。2個硬度試樣有明顯的區別，相對于實驗室加工標準硬度試樣，現場硬度一方面受限于鍛件規格、任務量、現場條件的限制，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 時對應的硬度值），在僅對鍛件表面進行砂輪打磨即進行硬度試驗時，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，這也會導致現場硬度低于實驗室硬度，造成現場硬度合格但實驗室硬度偏高的現象。經計算，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確性，需要將鍛件表面脫碳層完全去除，在進行硬度試驗前應至少保證將鍛件表面磨削1～3 mm的表面深度，再進行硬度試驗。

3 鍛件抗拉強度與硬度關系分析

金屬材料的硬度與抗拉強度之間基本呈正比關系，除對硬度試驗過程、試驗試樣等方面進行分析外，還對該類型鍛件實驗室近3 年數據進行統計分析，以期得到一個基本的強度-硬度關系方程式。將硬度值與抗拉強度一一對應后，共計33 組數據值，如表6所示。

表6 鍛件抗拉強度與硬度值統計

根據統計的抗拉強度及硬度數據，擬合了抗拉強度與硬度的關系，如圖5所示。

圖5 抗拉強度與硬度的關系

通過以上硬度試驗數據，得到抗拉強度與硬度的一階關系方程式：y=-671.59x+3 336.37，其中x代表材料硬度值，y代表材料抗拉強度值。根據公式可以得出：當該類型鍛件抗拉強度接近1 200 MPa時，硬度壓痕直徑小于φ3.18 mm，硬度超出標準要求范圍，造成產品不合格。

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為基準點進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定。

4 結束語

（1）通過數據統計分析，當該類型鍛件抗拉強度超過1 200 MPa 時，硬度壓痕直徑將小于φ3.18 mm，造成硬度超出標準要求范圍而不合格。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定。

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

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