机械加工和表面粗糙度对金属材料硬度测试数据的影响

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1、试验研究 机械加工和表面粗糙度对金属材料 硬度测试数据的影响 郑远谋 (广东省鹤山市新技术应用研究所 鹤山市529721) 摘 要 讨论了机械加工和表面粗糙度等多种因素对金属材料布氏硬度测试数据的影响。由于 机械加工过程中的机械2热作用,使得切口处的硬度最低,随着与切口距离的增大,HB值逐渐增加。 超出该影响区后,HB值趋于稳定。这一现象还随机械加工的方法、 条件,以及表面粗糙度和材料原 始硬度等的不同,而有不同的变化规律。 主题词 金属材料 机械加工 表面粗糙度 布氏硬度值 THE EFFECT OF M ECHAN ICAL PROCESSI N G AND SURFACE ROU GHN

2、 ESS TO M ETALS HARDN ESSM EA SUREM EN T Zheng Yuanmou (N ew Technology Application Institute of Heshan City Guangdong) Abstract This paper discussed the effect of mechanical processing and surface roughness on hardness measurement of metals .The results showed that the hardness of cut edge was the

3、lowest because of mechanical heating effect.Hardness value increased as its distance from cut edge increased, and saturated gradually. This phenomena was also affected by processing parameters and surface roughness of the sample. Keywords M etal M echanical processing Surface roughness Brinell hardn

4、ess 文献1讨论了机械加工对金属材料硬度测试 数据的影响。 文献2, 3讨论了表面粗糙度对金属材 料硬度测试数据的影响。本文讨论机械加工和表面 粗糙度等综合因素对金属材料布氏硬度测试数据的 影响。 1 试验材料 试验用材料和有关参数列于附表。 2 试验方法 试验采用HB300型硬度计和直径为5mm的钢 球、750kg载荷和10s保持时间,以及带螺旋测微尺 的 单筒读数显微镜。 硬度压痕的测量精度为 0101mm ,硬度读数精确到0. 1 HBS5?750。 (1)用车、 锯、 铣和磨四种机械加工方法切取待 测硬度的金属样品,然后,依次测定其距切口015, 1, 1. 5, 2, 2. 5和3

5、mm等处的HB值,而每一位置上 的硬度又分Ra 1. 6和0. 2两种状态。例如在测试 0. 5mm位置上的硬度时,先获得Ra 1. 6时的HB 值,后获得Ra 0. 2时的HB值。具体步骤:将原始样 品的待测面用砂轮打去0. 5mm后,用240#水砂纸 预磨(Ra 1. 6),随后测试三点硬度(均匀分布 ); 然后 在同一磨面上,用320#, 400#和500#金相砂纸预磨 后抛光1m in(Ra 0. 2),随后再测试三点硬度。对圆 形磨面来说,前后测量各三点共六个硬度点,点间距 60,即前三点和后三点在不同粗糙度的同一圆形磨 面上相间和均匀地分布。 对长方形磨面而言,前后六 点也相间和均

6、匀地分布在长度方向的中心线上。其 余不同位置在两种粗糙度下的硬度测试方法依此类 推。 为了了解在机加工取样中冷却条件对硬度值的 影响,在上述试验中还比较了用冷却液冷却与否的 两种情况,即每个样品的一端冷却,另一端不冷却。 (2)与(1)相似,测定了两种铸铁材料在距切口 684 第36卷第11期 2000年11月 理化检验物理分册 PTCA (PART A: PHYSICAL TEST I N G) Vol .36 No. 11 Nov.2000 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 附表

7、试验用材料及有关参数 No.材料 硬度测试面 几何尺寸?mm 硬度测试位置 1铅黄铜20 240Cr钢20 345钢20 435钢20 520钢20 1 2 半径处均匀分布 6Q 235钢203个硬度点 7HT1523320 8HT2024020 9RU T30018 10合金铸铁18 11Q T602 2( A)18 12Q T4521018 13Q T50251025长度方向中心线上均匀 14Q T602 2( B)1725分布3个硬度点 注:No. 16为供货态的一截棒材,No. 712为不同炉 次的试样或试块,No. 13和14为汽车零件本体。每 种材料的样品数量均为10个,样品的高度

8、均大于 20mm。 0. 5, 1, 1. 5, 2, 2. 5和3mm及四种不同Ra值(1. 6, 0. 8, 0. 4和 0. 2) 的HB值。每一位置上的12个硬度 点先后打在四种不同粗糙度的同一圆形磨面上,点 间距为30。 上述两种试验方法中没有述及的详细和具体的 工作程序及步骤可参见文献13。 3 试验结果分析 3. 1 试验结果 将上述两种试验方法获得的大量数据进行整 理,绘成图114。所有图中纵坐标表示HB的大 小,横坐标表示硬度测试的位置,即与切口原始面 (0)的距离。 曲线中的c, j, x和m表示取样的机加工 方法,即车、 锯、 铣和磨。 字母的下标 “1” 和 “2” 分

9、别表 示机加工时冷却和不冷却。曲线上每个试验点代表 10个被测样品的30个硬度数据的平均值,因此,所 示图具有足够的准确性和代表性。 3. 2 试验结果分析 (1)如图114所示,所有的试验结果表明,不 论是钢、 铁或有色金属,也不论采用何种机加工方法 取样,在机加工时采用冷却液与否,或样品磨面的粗 糙度如何,对所试验金属材料来说,离切口越近, HB 图1 铅黄铜 图2 Q 235钢 图3 35钢 图4 20钢 图5 45钢 值越低,随着离切口距离的增加, HB逐渐增大,在 距切口1. 53mm后HB值趋于稳定。 784 郑远谋:机械加工和表面粗糙度对金属材料硬度测试数据的影响 1995-20

10、04 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 图6 40Cr钢 图7 Q T5025 图8 Q T6022 (B) 图9 RU T300 图10 合金铸铁 图11 Q T45210 图12 Q T602 2( A) 图13 HT15233 图14 HT15240 (2)在单一(曲线)条件下, HB的最低值和最高 值之差在1040HB范围之内,有的在综合的试验 条件下,该差值最大可达60HB。对此差值由大到小 的影响依次为车、 锯、 铣和磨。 (3)在所有试验条件下,粗糙度高的材料,其 HB值高于粗糙度低的材料。

11、 (4)由图13和图14,以及其他铸铁材料的曲线 884 郑远谋:机械加工和表面粗糙度对金属材料硬度测试数据的影响 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 图可知,随着材料原始硬度(强度)的升高, HB的最 低值和最高值之差增大。 (5)由图可知,在机加工中,冷却条件下的材料 硬度分布曲线均对应地处于不冷却条件之下,即前 者的硬度较后者低。 3. 3 试验结果讨论 (1)与文献1相似,在本工作的所有的试验材 料中也存在着明显的机械2热作用。不管何种金属、 何种机械加工方法和冷却与否、 或是不

12、同的粗糙度, 材料样品在机械加工后,在切口及其附近产生了一 个由切口开始向材料内部逐渐减弱的机械2热效应 区。 在该区内,切口处硬度最低,此后逐渐升高,越过 该区后,硬度趋于稳定。 这一稳定的硬度值可能就是 金属相对地不受外界条件影响的真实和原始的硬度 了。 (2)在粗糙度试验中,随着粗糙度的降低,金属 的硬度降低,这与文献2, 3是一致的。 (3)机械加工方法对硬度HB最低值和最高值 之差的影响由大到小是车、 锯、 铣和磨(削 ), 其原因 是它们对材料的机械2热影响的强烈程度依次由强 到弱。 (4)在同一粗糙度下,未冷却材料的HB值高 于冷却材料的HB值。 这是由于在冷却条件下,使机 械2

13、热作用的效果减弱,其相应位置的硬度值亦即降 低。 (5)金属材料原始硬度(强度)对HB值变化的 影响规律与文献1相同,详细讨论参见文献1。 (6)文献4, 5和本文作者所作的大量试验结 果都显示,金属材料的布氏硬度没有一个确定的值, 而是随其状态和实验条件的不同而变化,甚至有很 大的差别。虽然国家标准规定样品的测试面的粗糙 度不低于Ra 0. 86,但是除此之外,机械加工的取 样方法和条件、 材料的原始硬度等都会对HB值产 生明显的和不容忽视的影响。 所以,为了获得金属材 料统一的布氏硬度的相对数据,很有必要统一实验 条件。 4 结论 (1)在本工作所述的多种条件下,又一次证明 金属材料的布氏

14、硬度没有一个定值,而试样磨面附 近由机械加工形成的机械2热影响区的存在是这个 结论的主要因素。该影响区的宽度为1. 53mm ,在 这一宽度范围内, HB的最低值和最高值之差最大 可达60HB。这一差值在技术上和工程上是不可忽 视的。 (2)为了获得金属材料相对准确的布氏硬度 值,在大量工作之后,很有必要统一所有已知的试验 条件。 参 考 文 献 1 郑远谋,郑化权.机械加工对金属材料硬度测试数 据的影响.计量学报, 1993, 14(1): 62266 2 郑远谋,郑化权.表面粗糙度对金属材料硬度测试 数据的影响.钢铁研究学报, 1991, 3(1): 81285 3 郑远谋,郑化权.抛光时

15、间和表面粗糙度对金属材 料硬度测试数据的影响.上海金属2有色分册, 1993, 14(3): 17223 4 韩德伟.金属的硬度及其试验法.长沙:湖南科学技 术出版社, 1983. 5 杨 迪.金属硬度试验法.北京:计量出版社, 1983. 6 GB231- 1984 金属硬度试验法. 收稿日期: 2000209208 本刊启事 邮局已开始办理2001年度报刊收订,请新老读者尽快去邮局办理订阅手续。本刊邮发代号: 4- 183,定价(册): 6. 00元。 为适应我国信息化建设的需要,扩大作者学术交流渠道,本刊已加入 中国学术期刊(光盘版) 和 “中国期刊网” 全文数据库,其作者著作权使用费与本刊稿酬一次性给付。 免费提供作者文章引用统计 分析资料。如作者不同意将文章编入该数据库,请在来稿时声明,本刊将做适当处理。 984 郑远谋:机械加工和表面粗糙度对金属材料硬度测试数据的影响 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.