楊碧蕓

（西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710201）

0 引言

復(fù)合板被廣泛應(yīng)用在電建、石化、醫(yī)藥、輕工、汽車等行業(yè)，尤其是在壓力容器的制造中。復(fù)合板發(fā)展至今已形成多種產(chǎn)品，如鈦及鈦合金復(fù)合材、不銹鋼／鋼復(fù)合材、有色金屬及其合金復(fù)合材、三層復(fù)合材等。復(fù)合的方法通常有爆炸復(fù)合、軋制復(fù)合等。目前復(fù)合板的力學(xué)及工藝性能檢驗(yàn)已日漸成熟，主要包括硬度試驗(yàn)、拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)等項(xiàng)目。國內(nèi)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)主要有JB4733-1996《壓力容器用爆炸不銹鋼復(fù)合鋼板》、GB／T8547-2006《鈦-鋼復(fù)合板》、GB／T8165-2008《不銹鋼復(fù)合鋼板和鋼帶》等等。在這些產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中均引用了GB／T6396《復(fù)合鋼板力學(xué)及工藝性能試驗(yàn)方法》，本文針對(duì)維氏硬度這一章節(jié)的試樣、試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)要求及試驗(yàn)方法進(jìn)行了更深一步的探索。

1 試驗(yàn)材料及方法

維氏硬度試驗(yàn)原理是：將頂部?jī)上鄬?duì)面夾角為136°的正四棱錐體金剛石壓頭用規(guī)定的試驗(yàn)力壓入試樣表面，經(jīng)一定的保持時(shí)間后卸除試驗(yàn)力，試驗(yàn)力與試樣表面的壓痕表面積之比即為維氏硬度。在實(shí)際操作中測(cè)量壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度，取平均值，按下式計(jì)算出維氏硬度值：

其中：S為壓痕表面積，mm2；F為試驗(yàn)力，N；d為兩壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度d1和d2的算術(shù)平均值，mm。

試驗(yàn)選用不銹鋼／碳素鋼（304／Gr70）為試驗(yàn)材料，材料的熱處理狀態(tài)為退火態(tài)，尺寸為10 mm×15 mm×25 mm。10 mm×15 mm的表面依次用由粗到細(xì)的各號(hào)砂紙磨制，然后拋去試樣上的磨痕以達(dá)鏡面，且無磨制缺陷，經(jīng)體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液輕度浸蝕，顯示分界線。浸蝕的時(shí)間不能過長(zhǎng)，以免界線處出現(xiàn)臺(tái)階，分界線在400倍下看清即可。試驗(yàn)設(shè)備采用401 MVD維氏硬度計(jì)。試驗(yàn)負(fù)荷選用1.961 N，載荷保持時(shí)間30 s。在同一試樣的同一斷面上進(jìn)行了3組不同位置的小負(fù)荷維氏硬度測(cè)試，3組的測(cè)試部位分別是：①復(fù)材、結(jié)合區(qū)、基材；②復(fù)材、界線兩側(cè)（兩個(gè)硬度壓痕相鄰）、基材；③復(fù)材、界線兩側(cè)（兩個(gè)硬度壓痕不相鄰）、基材。硬度測(cè)試位置如圖1所示，其中，＊表示硬度壓痕。

圖1 爆炸復(fù)合板維氏硬度測(cè)試位置

2 結(jié)果與分析

表1為第1組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，表2為第2組的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，表3為第3組的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

對(duì)于3組不同位置的小負(fù)荷維氏硬度測(cè)試試驗(yàn)，每一組都分別對(duì)復(fù)材區(qū)、界線結(jié)合區(qū)、基材區(qū)選取相應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行壓痕測(cè)試，并且測(cè)量出每個(gè)壓痕的兩組對(duì)角線長(zhǎng)度，最后計(jì)算出維氏硬度值。

表1 第1組試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 第2組試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 第3組試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表1中第1組試驗(yàn)數(shù)據(jù)是日常工作的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算其中結(jié)合區(qū)D1點(diǎn)的兩組壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度之差（2.92μm）和兩者的平均值（37.54μm），比較發(fā)現(xiàn)對(duì)角線長(zhǎng)度之差超過對(duì)角線平均值的5%，計(jì)算D2點(diǎn)數(shù)據(jù)也可以得出相同的結(jié)論，說明壓痕對(duì)角線發(fā)生變形。如果是規(guī)則的壓痕，則有可能是材料的各向異性造成的，例如經(jīng)過嚴(yán)重冷加工變形的材料。但是在不銹鋼／碳素鋼復(fù)合板的結(jié)合區(qū)并不是這種情況，試樣浸蝕后，微觀可以清楚地顯示結(jié)合區(qū)呈波狀結(jié)合形態(tài)，如圖2所示，這是由于爆炸復(fù)合中，金屬間高速碰撞，巨大的壓力和剪切作用使結(jié)合區(qū)基復(fù)板發(fā)生強(qiáng)烈的塑性變形，組織呈流線特征；從圖2中還可以看出基材一側(cè)組織顯著拉長(zhǎng)，這樣就使硬度壓痕在此區(qū)域發(fā)生了嚴(yán)重的變形，如圖3所示。在日常工作中如果遇到這種情況，則放棄此壓痕，再重新尋找合適的位置，繼續(xù)進(jìn)行相同的試驗(yàn)，可筆者認(rèn)為這樣做并不能真實(shí)地反映出結(jié)合區(qū)的維氏硬度值，因此繼續(xù)做了第2組和第3組試驗(yàn)。

圖2 復(fù)合交界處波形

圖3 維氏硬度壓痕

通過第2組試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出復(fù)材靠近界線處硬度值有明顯的升高，而基材靠近界線處硬度值與基材的硬度值相比變化不是很明顯，硬度值有所降低。這說明熱處理后結(jié)合區(qū)基材一側(cè)有脫碳現(xiàn)象，而復(fù)材一側(cè)有滲碳現(xiàn)象。由于兩個(gè)壓痕緊緊相鄰，不符合GB／T4340.1-1999《金屬維氏硬度試驗(yàn)第一部分：試驗(yàn)方法》中的7.6條款規(guī)定：兩相鄰壓痕中心之間距離，對(duì)于鋼及其合金至少應(yīng)為壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度的3倍，所以第2種方法僅限于做試驗(yàn)，不能作為檢測(cè)報(bào)告的數(shù)據(jù)。但是通過第2組試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出：不銹鋼／碳素鋼（304／Gr70）復(fù)合板經(jīng)過熱處理后，結(jié)合區(qū)硬度發(fā)生明顯變化的是復(fù)材一側(cè)。

如果將第2種試驗(yàn)方法加以改進(jìn)，就是將兩個(gè)相鄰的硬度壓痕分開，那么就得到第3組試驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過第3組試驗(yàn)數(shù)據(jù)我們可以更明顯地看出：界線處復(fù)材一側(cè)的維氏硬度值顯著提高，而基材一側(cè)硬度值略有降低。第3種試驗(yàn)方法符合GB／T4340.1-1999《金屬維氏硬度試驗(yàn)第一部分：試驗(yàn)方法》中所有條款，可以作為檢測(cè)報(bào)告的數(shù)據(jù)。但對(duì)于復(fù)合材料來說，由于復(fù)合界面的存在，使得復(fù)合材的性能既不同于基材也不同于復(fù)材，如果只提供第3組數(shù)據(jù)不能直接反映出經(jīng)過爆炸復(fù)合處理后強(qiáng)度的差異，所以建議在不銹鋼／碳素鋼復(fù)合前對(duì)復(fù)層材料的斷面進(jìn)行小負(fù)荷維氏硬度測(cè)試，隨后進(jìn)行爆炸復(fù)合，然后再對(duì)復(fù)合后的復(fù)材進(jìn)行相同條件的維氏硬度測(cè)試，這樣可以間接反映出材料經(jīng)過爆炸復(fù)合處理前后強(qiáng)度的差異。

3 結(jié)論

（1）根據(jù)復(fù)材和基材不同的材料應(yīng)選用合適的試驗(yàn)力及恰當(dāng)?shù)奈恢眠M(jìn)行復(fù)合板的維氏硬度試驗(yàn)，以打在結(jié)合區(qū)的硬度壓痕不產(chǎn)生嚴(yán)重變形為有效的試驗(yàn)結(jié)果。如果壓痕出現(xiàn)了嚴(yán)重的變形，則應(yīng)采用改變?cè)囼?yàn)位置的方法，或者先對(duì)復(fù)層的斷面進(jìn)行維氏硬度測(cè)試，隨后進(jìn)行爆炸復(fù)合，然后再對(duì)復(fù)合后的板材進(jìn)行維氏硬度測(cè)試。

（2）試驗(yàn)樣品的表面必須平滑，需用相應(yīng)的腐蝕液腐蝕，以顯示復(fù)材與基材的分界線，但腐蝕的程度應(yīng)以在高倍下（400倍）看清即可，如果腐蝕過重導(dǎo)致界線兩側(cè)出現(xiàn)臺(tái)階，那么硬度壓痕也會(huì)嚴(yán)重變形。

［1］大連船舶重工集團(tuán)有限公司，大連爆炸加工研究所，首鋼總公司，等.GB／T 6396-2008復(fù)合鋼板力學(xué)及工藝性能試驗(yàn)方法［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008：10-11.

［2］鋼鐵研究總院，中國船舶工業(yè)總公司大連造船廠.GB／T 4340.1-1999金屬維氏硬度試驗(yàn)第一部分：試驗(yàn)方法［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000：1-4.