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硬度測試可以驗證鋁合金的狀態(tài)，如果硬度測試時的參數(shù)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(huán)節(jié)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(guī)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(jīng)過規(guī)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(jù)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(guī)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(guī)定更長的總試驗力保持時間時，應在產(chǎn)品規(guī)范中規(guī)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(guī)律，可以提高測試結果的準確性和穩(wěn)定性，增強實驗室的質量保證能力。

研究人員選擇生產(chǎn)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(guī)格和狀態(tài)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(shù)據(jù)統(tǒng)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(nèi)鋁合金板材LY12CZ(包鋁)、LC4CS(包鋁);國內(nèi)鋁合金型材LY12CZ、LC4CS。以上材料均符合相應材料規(guī)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(nèi)。國外洛氏硬度測試所用標準試樣規(guī)格如表1所示。

國內(nèi)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(nèi)。國內(nèi)洛氏硬度測試所用標準試樣規(guī)格

如表2所示。

2、測試結果及統(tǒng)計分析

選取11種不同規(guī)格和狀態(tài)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(shù)據(jù)進行統(tǒng)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(tǒng)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(nèi)外材料和不同狀態(tài)分別對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處理,結果如表3~5所示，根據(jù)統(tǒng)計分析結果，不同規(guī)格和狀態(tài)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(guī)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(guī)定，總試驗力保持時間為2.0~6.0s;波音項目文件中規(guī)定，洛氏硬度的標準載荷持續(xù)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(jīng)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(fā)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(chǎn)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(chǎn)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(nèi)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(nèi)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(shù))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(guī)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(jù)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(tài)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(shù)據(jù)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(xiàn)出增大趨勢，且表現(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)現(xiàn)場鋁合金狀態(tài)檢查時的數(shù)據(jù)處理提供了可靠依據(jù)，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(xiàn)不合格現(xiàn)象。由于GB/T 230.1—2018、ASTM E18-20以及不同項目的規(guī)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(wěn)定性，以及實驗室檢測水平。