包鋁層對鋁合金維氏硬度試驗結果的影響

張文龍

（安徽省鋁制品質量監督檢驗中心，安徽 淮北 235100）

硬度是標準金屬上表面不大體積內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性能檢測中的一個重要項目。二系鋁銅合金的板材因其具有較高的強度，廣泛應用在各個工業領域，但由于鋁與銅的電位差較大，導致二系鋁銅合金耐腐蝕性差。生產廠家為了提高二系鋁銅合金的耐腐蝕性，通常會對相應板材進行工藝包鋁。

一般的金屬材料在進行維氏硬度測量時，即使不同載荷下數值差異也不大，即遵守“硬度與負荷無關”的幾何相似定律。維氏硬度的這一特性是因為其從業的壓頭為136°的金剛石正四棱錐體。當采用正四棱錐后，即使試驗載荷改變壓痕的幾何形狀也總保持相似。試驗載荷可以任意選擇，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行不同載荷條件下的維氏硬度測試，分析了有無包鋁層時導致的維氏硬度測量結果不完全遵守“幾何相似定律”的原因，為鋁合金材料的維氏硬度計的測量提供參考依據。

1 試驗材料與驗方法

1.1 試驗材料

試驗原材料為二系鋁銅合金的韋氏硬度片，其規格為150 mm×25 mm×2.0 mm，產品編號HW 2112-1093，出廠標定方法采用洛氏硬度法E 標尺標定，結果為99.2 HRE；依據JJG 944-2013 進行韋氏硬度換算，換算后的韋氏硬度值為17.5 HWA。將其截斷后，A 段進行兩面拋光打磨，去除表面包鋁層，B 段僅擦拭去除表面臟污。

1.2 試驗方法

依據GB/T4340.1-2009，在室溫24.3 ℃，相對濕度56 %RH，使用經過上級計量單位計量檢定結果為合格的維氏硬度計，該硬度計的示值最大允許誤差為±3%。試驗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行測試，試驗載荷保持時間為20 s。在同一載荷下取3 個點進行維氏硬度測量，并記錄相應的平均壓痕直徑，其結果取平均值（如圖1）。

圖1 維氏硬度壓痕及壓頭示意圖

2 試驗結果與分析

2.1 不同載荷下，有包鋁層的鋁合金試樣的試驗結果

不同載荷下，有包鋁層的鋁合金試樣的維氏硬度測試結果如表1 所示，可見隨著所加載載荷的增加，所測得的維氏硬度數值逐漸增大，與加載載荷呈正相關，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結果

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

表2 不同載荷下，無包鋁層的鋁合金試樣維氏硬度

2.3 試驗結果分析

維氏硬度的計算公式如下：

經過金相顯微鏡觀察，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GB/T 4340.1-2012 中要求試樣或試驗層厚度至少應為壓痕長度的1.5 倍。可知有包鋁層的情況下，當采用最小試驗負載HV0.5 時，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，可知包鋁層這一表面層與鋁銅合金接觸部位已經發生形變，并由包鋁層下方維氏硬度數值更大的鋁銅合金承擔四棱錐壓頭的壓力。該現象可通過去除包鋁層前后的壓痕邊緣的變形區域看出，包鋁層所產生的壓痕形變小于其實際應當發生的壓痕形變，必然導致F/d2的數值增大，即所測得的維氏硬度大于包鋁層的實際維氏硬度。

圖2 鋁合金試樣的橫截面

隨著試驗載荷的增大，壓頭壓入深度逐漸增大并完全突破包鋁層，到達內部鋁銅合金層，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，必然導致所產生的壓痕形變大于鋁銅合金實際應當發生的壓痕形變，但對壓痕的影響隨著試驗負載的增大逐漸，導致F/d2的數值趨于增大但仍小于二系鋁銅合金的實際數值。這也將導致對有包鋁層的鋁合金樣片進行維氏硬度測試時，所得維氏硬度與實際數據存在較大偏差，并隨著試驗載荷的增大，壓頭壓入深度增大，所得到的維氏硬度結果趨于增大但總小于無包鋁層時的維氏硬度數值。

因為所采用的壓頭為金剛石四棱錐壓頭，使得測試時即使所使用的試驗載荷改變，壓痕的幾何形狀也總保持相似；從維氏硬度計算公式可知，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”，但這個結論的前提是測試材料材質均勻。該結論與無包鋁層的鋁合金樣條的維氏硬度測試結果結論是相同的；而當有包鋁層時，因為包鋁層的實際硬度低于內部鋁銅合金硬度，必然導致不同試驗載荷下所測得維氏硬度數值存在較大偏差，這也從反面證實了該結論的正確，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 結語

（1）對于維氏硬度測量應當保證使用材質均勻的材料進行，對含有包鋁層、硬化層以及其他覆蓋層的鋁合金，應去除覆蓋層后進行維氏硬度試驗。

（2）對材料進行維氏硬度試驗時，應當在試樣試驗后背面不出現變形壓痕的前提下進行不同載荷下的試驗，以排出其他干擾，確保維氏硬度試驗結果的可信度。

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