機(jī)械加工和表面粗糙度對(duì)金屬材料硬度的影響

杜小平，何 偉，張 靖，李正佳

（西安漢唐分析檢測(cè)有限公司，陜西 西安 710000）

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用材料和有關(guān)參數(shù)見下表1。

表1

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

在試驗(yàn)過程中，主要采用AVK型維氏硬度計(jì)，操作時(shí)選用136°的正四棱錐體金剛石壓頭，測(cè)量裝置為讀數(shù)顯微鏡。

使用到的荷載為10kg，保壓時(shí)間為30S，測(cè)量的精度控制在0.001mm。

2.2 試驗(yàn)過程

第一步：金相處理及硬度檢測(cè)。先用240號(hào)砂紙粗磨，然后用700號(hào)砂紙細(xì)磨，再經(jīng)兩道拋光程序，通過金相方法檢查直至試樣表面完全去除變形層，之后經(jīng)700號(hào)細(xì)砂紙?zhí)幚砣コg層，接下來對(duì)試樣進(jìn)行硬度檢測(cè)即隨機(jī)在試樣加工面測(cè)試6點(diǎn)硬度。

第二步：車床加工處理及硬度檢測(cè)。車床加工過程中采用不冷卻加工之后，分別采用240號(hào)粗砂處理15s和700號(hào)細(xì)砂紙?zhí)幚?0s，分別得到Ra0.8和Ra0.4兩種粗糙度的表面，然后分別對(duì)其進(jìn)行硬度檢測(cè)；車床加工過程中采用冷卻加工之后，用240號(hào)粗砂紙?zhí)幚?5s，得到Ra0.4的表面，然后對(duì)其表面進(jìn)行硬度檢測(cè)。

第三步：刨床加工處理及硬度檢測(cè)。用刨床加工完之后，分別采用240號(hào)粗砂紙?zhí)幚?5s和700號(hào)細(xì)砂紙?zhí)幚?0s，分別得到Ra0.8和Ra0.4兩種粗糙度的表面，然后分別對(duì)其進(jìn)行硬度檢測(cè)。

第四步：磨床加工處理及硬度檢測(cè)。用磨床加工完之后，分別采用240號(hào)粗砂紙和700號(hào)細(xì)砂紙?zhí)幚矸謩e采用240號(hào)粗砂處理15s和700號(hào)細(xì)砂紙?zhí)幚?0s，，分別得到Ra0.8和Ra0.4兩種粗糙度的表面，然后分別對(duì)其進(jìn)行硬度檢測(cè)。

為了了解在機(jī)械加工取樣中冷卻條件對(duì)硬度值的影響，在車床加工過程中還比較了冷卻與否的兩種情況。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）試驗(yàn)結(jié)果。將上述兩種試驗(yàn)方法獲得的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，繪制成如下圖示。

圖1 不同制樣方式所作的HV曲線圖

系列1表示：金相制樣HV曲線

系列2表示：磨削試樣Ra0.8HV曲線

系列3表示：刨床試樣Ra0.8HV曲線

系列4表示：車削試樣Ra0.8HV曲線

圖2 Ra0.4、Ra0.8車削樣HV曲線圖

系列1表示：Ra0.4車削樣HV曲線圖

系列2表示：Ra0.8車削樣HV曲線圖

圖3 Ra0.4、Ra0.8磨削樣HV曲線圖

系列1表示：Ra0.4磨削樣HV曲線圖

系列2表示：Ra0.8磨削樣HV曲線圖

（2）試驗(yàn)結(jié)果分析。①由圖1可以看出，車削加工處理、磨削加工處理、刨削加工處理與金相處理的曲線對(duì)比可以看出，磨削加工處理試樣的檢測(cè)結(jié)果最接近金相處理的檢測(cè)結(jié)果，即磨削加工處理的試樣其硬度值最接近材料的真實(shí)硬度值，相比較刨床加工和車削加工偏差相對(duì)大一些，一般比真實(shí)值高。②由圖2～4可以看出，同一材料表面其粗糙度高的硬度值也高。③由圖5可以看出，在實(shí)驗(yàn)過程中，在相同的硬度檢測(cè)條件下，在冷卻條件下加工的試樣硬度高于不冷卻試樣硬度。

圖4 Ra0.4、Ra0.8刨床樣HV曲線圖

系列1表示：Ra0.4刨床樣HV曲線圖

系列2表示：Ra0.8刨床樣HV曲線圖

圖5 車削樣冷卻與不冷卻的HV曲線圖

系列1表示：車削樣冷卻HV曲線圖

系列2表示：車削樣不冷卻HV曲線圖

（3） 試驗(yàn)結(jié)果討論。①本試驗(yàn)存在著機(jī)械-熱作用及機(jī)械加工變形，本文討論的這三種機(jī)械加工方法在對(duì)材料進(jìn)行機(jī)械加工后，對(duì)其硬度值都存在一定的影響，影響依次順序是車、刨、和磨（削），它的變化機(jī)理主要是按照材料機(jī)械加工的熱影響和機(jī)械加工材料的變形程度實(shí)現(xiàn)的。在加工過程中采用冷卻條件也是為了降低機(jī)械熱作用對(duì)材料表面加工硬化的影響。②同一材料表面在不同的粗糙度下其硬度值也不同，一方面是由于試樣加工之后砂紙?zhí)幚淼臅r(shí)間較短即變形層去除的相對(duì)較少，試樣表面還有變形層殘留，故而影響試樣硬度值偏高；另一方面粗糙度高，在測(cè)量硬度壓痕時(shí)也會(huì)造成視覺上的偏差，也會(huì)對(duì)硬度只有影響。 ③按照工程實(shí)際，在確定金屬材料硬度上它沒有確切的標(biāo)準(zhǔn)。主要是按照材料狀態(tài)與試驗(yàn)條件確定的，所以說，在試驗(yàn)時(shí)選擇的條件、方法等都會(huì)給硬度產(chǎn)生一定的影響。加工方法越粗糙、材料越軟，其影響越大。

4 結(jié)論

（1）金屬材料在加工過程中應(yīng)盡可能減少機(jī)械-熱作用和機(jī)械變形；材料在進(jìn)行維氏硬度測(cè)試時(shí)，最后的一道加工工序應(yīng)采用磨床加工；試樣表面的粗糙度應(yīng)控制在標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍內(nèi)，以保證得到材料表面較真實(shí)的硬度值。

（2）為了獲得金屬材料相對(duì)準(zhǔn)確的維氏硬度值，試驗(yàn)室很有必要統(tǒng)一試樣的加工方法和后期處理?xiàng)l件。