弹丸硬度测试方法的比较研究

 导  言 : 

对于弹丸来说，硬度是对冲击弹丸颗粒引起的局部塑性变形的抵抗力。因此，我们有两个感兴趣的领域：被喷丸部件的硬度和喷丸颗粒本身的硬度。部件的硬度通常是我们无法控制的。为了确定弹丸流的强度而进行喷丸处理的阿尔门试片的硬度是个例外。硬度出现在弹丸颗粒和阿尔门试片的规范中，因此需要进行测试。

操作人员通常会盲目地接受规定的硬度值和表面硬度测试方法。于是，硬度测试就成了雷区。如果我们要避雷，就需要考虑三个关键领域：（1）样品异质性，（2）测试方法和（3）压痕尺寸。

弹丸的硬度测试通常引用洛氏、维氏和努氏技术中的一种或多种。布氏硬度技术通常被部件制造商采用。这些技术的细节可以通过互联网随时获得，因此本文只讨论选定的特性。

当试图优化硬度测试时，zui好的方法是遵循墨菲定律，即“如果任何事情都可能出错，那么它就会出错”！

样品异质性

样品异质性可分为微观异质性和宏观异质性。显微硬度和宏观硬度测试可以用来监测这两个部分。

微观异质性

实际上，所有的部件和弹丸都包含不止一种成分，即相。图1是多组分金属的一个有用的类比。一个典型的水果蛋糕包含硬颗粒（坚果），软颗粒（水果）和一些孔隙（樱桃中心）以及基质蛋糕混合物。这与许多金属合金中遇到的情况类似。

图1 水果蛋糕成分（确认简单配方）

水果蛋糕类比也有助于获得对部件加工硬化的理解。想象一下，甚至试着用手指压扁一块水果蛋糕。有一点很明显，硬核粒子不会变形。

这与金属发生塑性变形时发生的情况正好吻合——硬颗粒（相）提供了zui大的变形阻力。软基体材料首先变形，然后硬化。最硬的粒子可能永远不会变形。

宏观异质性

宏观异质性的例子包括喷丸部件表面层（与次表面材料相比）、脱碳和弹丸颗粒。显微硬度测试通常用于研究这些现象。图2举例说明了脱碳引起的宏观均匀性。压痕位置要求在组成特征之间，且压痕必须具有适当的大小。

图2 脱碳钢的宏观均匀性

压痕尺寸

压痕尺寸的知识对于正确应用和理解硬度测试至关重要。“大”压痕与宏观硬度测试相关，“小”压痕与微观硬度测试相关，但什么是“大”，什么是“小”？

维氏和努式压痕尺寸的预测很简单，因为它们都基于测量压痕对角线的长度。洛氏压痕尺寸的预测是复杂的，因为它是基于压痕的深度。所有硬度值均以施加在压头上的力F除以压痕面积A为基础。力越大，压痕越大。可以使用已知的样品硬度和施加载荷的大小为每种测量技术来计算压痕尺寸。

与水果蛋糕相似，图3代表了一个“大”凹痕。这相当于多相金属样品上的宏观硬度压痕。压痕足够大，可以容纳所有类型的相，并给出平均硬度值。

图3 “大”压痕类比

布氏压痕尺寸的计算

布氏硬度值 HB 是施加到压头上的力 F 除以所得压痕的面积 A。

压痕面积由下式给出：

A=π.D[D–（D2–dB2）0.5]/2

其中D是球的直径，dB是压痕的直径。对F/A应用代数运算表明：

                                              dB=[D2–（D–2F/HB*π*D）2]0.5                                    (1)

使用公式（1）估算压痕直径很容易通过使用互联网来源的计算器实现。输入布氏值443、球直径1 mm和500 gf载荷,可得压痕直径为0.038 mm。

图4表示与显微硬度测试相同的“小”压痕。各种压痕尺寸表示不同的相位位置。

维氏压痕尺寸的计算

维氏硬度值HV是施加在136˚金刚石压头上的作用力F除以产生的压痕面积A。压痕面积由下式给出：

   A=dV2/（2*sin（136˚/2））=dV2/1.8544以便：

HV=F/A=F*1.8544/dV2（kgf.mm-2），因此：

                                   dV=[F*1.8544/HV]0.5                                                                 （2）

 国际单位制，Nmm-2，dV=[F*0.1891/HV]0.5。

图4 “小”压痕类比

作为一个例子，考虑推荐用于测试弹丸的力为500 gF（0.5 kgF）。如果特定颗粒的硬度为500 HV，则d=[0.500*1.8544/500]0.5=[1.8544/1000]0.5或d=0.043 mm。图5是公式（2）的图示，用于喷丸机特别相关的硬度范围，仅使用两种常用载荷。

图5 硬度和载荷对维氏压痕尺寸的影响

洛氏硬度值到等效维氏硬度值的转换可以通过使用互联网网站或以下公式轻松实现：

      HV=（223*HRC+14500）/（100–HRC）和

HRC=（100*HV–14500）/（HV+223）

图6是洛氏/维氏硬度转换的图示。

图6 洛氏/维氏硬度换算

洛氏压痕尺寸的估算

洛氏压头的夹角为120°，而维氏压头的夹角为136°。这意味着对于给定的施加载荷，以下关系适用：

回顾上一个例子（其中500 gf施加在维氏硬度为500 HV的材料上），预测对角线为0.043 mm。应用公式（3）表明，洛氏压痕的对角线为0.042 mm。差别很小！

公式（3）的推导如下：

        维氏压痕面积=AV=dV2/（2*sin（136˚/2））=dV2/1.85442而

洛氏压痕面积=AR=dR2/（2*sin（120˚/2））=dR2/1.732

当相同的应力F/A施加在同一材料上时，维氏压头和洛氏压头都停止压痕。当对两个压头施加相同的力F时，结果如下：

    F/AR=F/AV因此AR=AV以便

   dR2/1.732=dV2/1.85442或

      dR2/dV2=1.732/1.85442因此

        dR/dV=（1.732/1.8544）0.5或

                                                             dR/dV=0.966

努氏压痕尺寸估算

努氏硬度HK的计算公式为：HK=14.229F/L2

式中，L是较长压痕对角线的长度（单位：mm），见图7。

因此：

                                                             L=（14.229*F/HK）0.5                                                 （4）

图7 努氏硬度测试中测量的较长对角线

 举一个例子，考虑推荐用于测试丸粒的力为500 gF（0.5 kgF）。如果特定颗粒的硬度为500 HK，则L=[0.500*14.229/500]0.5=[14.229/1000]0.5或L=0.119 mm。这可与维氏和洛氏压痕（使用相同载荷）的对角线长度0.043 mm进行比较。努氏压痕的长对角线约为相同硬度金属上维氏和洛氏压痕对角线长度的三倍。这个比率通常被引用。

图8根据公式（4）显示了努氏对角线的长度如何随两种常用载荷和努氏硬度而变化。

图8 硬度和载荷对努氏长对角线的影响

喷丸硬度测试

弹丸硬度对喷丸机至关重要。在此我们只讨论弹丸的测试。然而，所有硬度测试都基于两个考虑：

(1) 拟采用的技术

(2) 应用所选技术时采用的程序。

1.拟采用的技术

喷丸制造商采用的技术通常由规范要求决定。不幸的是，已发布的规范对于采用哪种技术（洛氏、维氏或努式）——或为什么采用——并不总是很清楚。宏观硬度技术和微观硬度技术之间存在模糊区。 如表1所示，19比1的标准弹丸直径范围就是例证。

表1.使用J444推导的标称喷丸直径

将压痕尺寸与弹丸直径联系起来是很重要的。举一个例子，考虑使用500 gF施加的载荷来指定S70弹丸硬度为450努氏硬度。图9显示，中心位置压痕的长对角线0.127 mm将是0.1778 mm标称直径的很大一部分！压痕周围的变形区域一定会到达弹丸表面。另一方面，对于较大的弹丸尺寸，该部分会迅速减小。如果球从表面到中心都很硬的话，这个问题就不会太大，但这是非常特殊的。明显的替代方法是采用维氏或洛氏技术。对于500 gf载荷，维氏/洛氏压痕直径仅为0.047 mm，如图9所示。还应记住，铸钢丸的直径范围很广。在这个范围的底端，一些S70颗粒的直径将远小于0.127毫米！

图9 500 gf努氏压痕，用于450 HK S70弹丸颗粒

2.应用所选技术时采用的程序

一些规范包括所选技术必须采用的程序说明。AMS 2431给出了使用努氏或维氏技术进行显微硬度测试的广泛指导。SAE J827包含以下关于拟采用程序的具体指导：

10.2测试用样品安装。用于测试硬度、微观结构和不良缺陷的弹丸样品应在胶木或其他合适的强冶金样品安装介质中安装一层。

安装好的样品应研磨至颗粒中心，并采用显微镜检查可接受的方法进行抛光。研磨和抛光样品时，必须注意不要使样品过热并影响显微结构和/或硬度。

10.3硬度测试。硬度测量应在安装样品中至少10个颗粒的半半径处进行。

硬度应使用ASTM E 384测定，HCS S280及更细的应使用500 g载荷，尺寸HCS 330及更大的应使用500或1000 g载荷。只要可以通过对照已知标准校准试验机获得可靠的硬度转换，就可以使用其他显微硬度测试方法。洛氏C硬度值的近似换算可从ASTM 140和硬度测量仪的制造商处获得。

必须在半半径处进行测量，看起来排除了采用努氏试验测定丸粒硬度的可能性！

样品安装指南提出了一个问题：“粒径变化会产生什么影响？”我们不能假设样品中的每个弹丸粒径都相同。图10示意性地说明了直径变化的影响。按照说明：“安装的样品应研磨到颗粒的中心”是很棘手的！会有一个范围，上基线（一些颗粒消失的位置）明显的部分，到所有颗粒都小于其直径的下基线的位置。更为复杂的是，单个颗粒的硬度从表面到中心可能会发生很大变化。

图10 安装样品研磨示意图

 硬度测试替代方案

硬度测试需要专门的技能和设备，而喷丸者本身通常不具备这些技能和设备。问题是：“有没有替代传统硬度测试的有效方法？”一种可能是使用倒置的硬度计程序。作为介绍，想象一下拿着一支（便宜的）圆珠笔的顶端，然后从高处把它扔到一个非常坚硬的表面上。撞击后会弹起。

使用硬度计程序，冲击球比目标材料硬。颠倒过程，我们可以使用喷丸粒子作为压头和比丸料颗粒硬的多的目标材料。在撞击时，弹丸会变形而不是使目标凹陷。因此，回弹高度将随着弹丸颗粒硬度的增加而增加。图11示意性地指出了与圆珠笔球头平行的适当位置。该装置的其余部分与硬度计类似。

  结论

（1）硬度测试的影响因素为材料异质性、测试方法和压痕大小。

（2）弹丸硬度测试，只有维氏和洛氏技术适合。

（3）根据ASTM E 384，选择弹丸硬度测试的参数，样品根据图10所示研磨到位，在至少10个颗粒的半径处进行测量。

图11拟用压头点的示意图

（4）可考虑图11的装置，即倒置的硬度计程序来代替常规硬度测试方法。

（5）很明显，即使最仔细地应用现有的规定程序，硬度测量的可变性也是不可避免的。