硬度測試可以驗證鋁合金的狀態，如果硬度測試時的參數選擇不合適，金屬硬度的評價結果就可能不準確。應從硬度測試的各個環節進行控制，其中總試驗力保持時間就是鋁合金材料硬度測試的控制因素之一。
洛氏硬度測試的原理是將特定尺寸、形狀和材料的壓頭按規定分兩級試驗力壓入試樣表面，初始試驗力加載后，測量初始壓痕深度,隨后施加主試驗力，經過規定的保持時間后,在卸除主試驗力、保持初試驗力下測量殘余壓痕深度，再計算得到洛氏硬度。根據GB/T 230.1—2018《金屬材料 洛氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》中的要求，若材料要求的總試驗力保持時間超過標準允許的6s，則實際施加試驗力保持時間應在試驗結果中注明。在ASTM E18-20《金屬材料 洛氏硬度的標準試驗方法》中規定：總試驗力保持時間為2.0~6.0s。當材料要求使用比 ASTM E18-20中規定更長的總試驗力保持時間時，應在產品規范中規定總試驗力保持時間。在這些情況下，應記錄并報告總試驗力保持時間。找出總試驗力保持時間對硬度測試結果的影響規律，可以提高測試結果的準確性和穩定性，增強實驗室的質量保證能力。
研究人員選擇生產中常用的鋁合金板材和型材進行洛氏硬度測試，針對不同規格和狀態的材料，分別測量總試驗力保持時間為2，3，5，6，9s時，這些材料的洛氏硬度。通過試驗數據統計分析，得出不同總試驗力保持時間與鋁合金洛氏硬度測試結果的關系。
1、 硬度測試方法
使用洛氏硬度計進行測試，校準設備的洛氏硬度標準試樣符合ASTM E18-20和GB/T 230.3—2022《金屬材料 洛氏硬度試驗 第3部分：標準硬度塊的標定》的要求。
選擇測試的材料有：國外鋁合金板材2024-T351(非包鋁)、7075-T7351(非包鋁)、7050-T7451(非包鋁)、7075-T651(非包鋁)；國外鋁合金型材7075-T6511、2024-T3511、7075-T73511；國內鋁合金板材LY12CZ(包鋁)、LC4CS(包鋁)；國內鋁合金型材LY12CZ、LC4CS。以上材料均符合相應材料規范。
國外洛氏硬度標準試樣符合 ASTM E18-20的要求。日常校驗硬度計時，在總試驗力保持時間為2，3，5，6，9s時，校準結果均在公差范圍內。國外洛氏硬度測試所用標準試樣規格如表1所示。
國內洛氏硬度標準試樣符合 GB/T 230.3—2022的要求。日常校驗硬度計時，選用盡量接近試樣預期硬度的標準試樣，在總試驗力保持時間為2，3，5，6，9s時，校準結果均在硬度計允許的重復性和偏差范圍內。國內洛氏硬度測試所用標準試樣規格
如表2所示。
2、 測試結果及統計分析
選取11種不同規格和狀態的鋁合金材料，將每種材料加工成6~9個試樣，在每個試樣上分別測量總試驗力保持時間為2，3，5，6，9s時的洛氏硬度，為了對所測試驗數據進行統計分析，分別求出每一種材料在不同總試驗力保持時間下的統計量，如子樣算術平均值、子樣標準差、子樣最小值及最大值等。按國內外材料和不同狀態分別對試驗數據進行統計處理,結果如表3~5所示，根據統計分析結果，不同規格和狀態材料的洛氏硬度與總試驗力保持時間的關系如圖1~4所示。
GB/T 230.1—2018規定，總試驗力保持時間為2~6s，即5s是理想的保持時間，可接受的保持時間為2~6s；ASTM E18-20規定，總試驗力保持時間為2.0~6.0s；波音項目文件中規定，洛氏硬度的標準載荷持續時間為3s。按照不同方法要求，對以上國外鋁合金材料洛氏硬度測試結果與驗收值進行比較，結果如表6，7所示。
3、 結果分析
3.1 總試驗力保持時間對鋁合金洛氏硬度測試結果的影響
由GB/T 230.1—2018中洛氏硬度的測試原理可知，施加主試驗力后，在總試驗力保持一定時間的條件下，材料經過比較充分的彈性變形和塑性變形，然后卸除主試驗力，讓材料發生彈性恢復，通過測量殘余壓痕深度來計算洛氏硬度。隨著總試驗力保持時間、負荷作用時間及材料變形時間的延長，可充分地建立起外力(負荷)與材料抗力之間的平衡，換句話說，材料變形會隨著總試驗力保持時間的延長逐漸增加，相應的殘余應力也就增大，洛氏硬度就會降低。在洛氏壓痕以下，不同深度金屬承受的應力和產生的變形程度不同，因此材料的組織結構、形變強化抗力和塑性變形抗力的大小等都會對其硬度產生不同的影響，并且隨著保持時間的變化，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，國外板材和型材在2~9s的總試驗力保持時間下，隨著總試驗力保持時間的延長，洛氏硬度逐漸降低，呈下降趨勢。從表6可以看出，在2~9s的總試驗力保持時間下，各種國外材料的洛氏硬度平均值變化，即單個試件在不同總試驗力保持時間下的最大偏差為0.3~0.8HRB，這些變化值均小于標準允許的最大偏差3.5HRB。
從表5及圖3，4可以看出，LC4CS、LY12CZ板材和型材在2~9s的總試驗力保持時間下，隨著總試驗力保持時間的延長，洛氏硬度呈下降趨勢。從表5可以看出，在2~9s的總試驗力保持時間下，各種國內材料的洛氏硬度平均值變化，即單個試件在不同總試驗力保持時間下的最大偏差為0.3~1.0HRB。
從表6，7可以看出，不同方法所要求的總試驗力保持時間下測得的鋁合金硬度是不同的，將國外鋁合金材料硬度與3s保持時間下的測試結果相比較，保持時間越長，偏差越大；將國內鋁合金材料硬度與5s保持時間下的測試結果相比較，5s保持時間的硬度測試結果是最低的，保持時間的絕對差值越大，偏差越大。
3.2 包鋁層對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%(質量分數)的新鋁合金層，鋁合金包鋁是為了保護合金材料不受腐蝕，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。某企標中規定：在正常包鋁的情況下，LY12CZ及LC4CS鋁合金板材在板厚不大于2.5mm時，每面包覆層平均厚度占總厚度的4%，據此可以計算出LY12CZ板材的單面包鋁層平均厚度為0.1mm，而LC4CS板材的單面包鋁層平均厚度為0.06mm。由表7可知，LY12CZ及LC4CS包鋁板材的驗收值和測試值要比其型材(非包鋁)的驗收值和測試值低很多。
3.3 表面粗糙度對鋁合金洛氏硬度的影響
各種鋁合金的洛氏硬度測試結果為60.8~92.1HRB，可以計算出壓痕深度為0.076~0.138mm。標準中要求，材料表面粗糙度應小于3.2μm，而GB/T 230.1—2018中并未對表面粗糙度有明確要求。由于狀態檢查是在鋁合金原表面，而硬度的測試深度較淺，LY12CZ、LC4CS型材的表面略顯粗糙，導致其試驗數據分散，這可從表5的子樣標準差看出。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試誤差方面會有所不同，但是低硬度試樣的測試結果逐漸呈現出增大趨勢，且表現較為明顯。另外，在誤差絕對值的確定方面，表面粗糙度、低硬度也會對洛氏硬度測試結果產生一定影響，關于這一點必須嚴格注意。
4、 結語
在不同總試驗力保持時間下，鋁合金材料的洛氏硬度為0.3~1.0HRB，基本呈下降趨勢。試驗結果為生產現場鋁合金狀態檢查時的數據處理提供了可靠依據，也可以有效防止因總試驗力保持時間引起的材料硬度偏低，出現不合格現象。由于GB/T 230.1—2018、ASTM E18-20以及不同項目的規范對總試驗力保持時間有不同的要求，因此實驗室在按照不同試驗方法進行相同試驗時，應充分理解方法要求，按照要求給出較為合理的總試驗力保持時間，在提高工作效率的同時，提高檢測結果的真實程度和穩定性，以及實驗室檢測水平。
作者：范語萱，孫冠軍
單位：中航西安飛機工業集團股份有限公司
來源：《理化檢驗-物理分冊》2023年第10期
