機械加工和表面粗糙度對金屬材料硬度的影響

杜小平，何 偉，張 靖，李正佳

（西安漢唐分析檢測有限公司，陜西 西安 710000）

1 試驗材料

試驗用材料和有關參數見下表1。

表1

2 試驗方法

2.1 試驗設備

在試驗過程中，主要采用AVK型維氏硬度計，操作時選用136°的正四棱錐體金剛石壓頭，測量裝置為讀數顯微鏡。

使用到的荷載為10kg，保壓時間為30S，測量的精度控制在0.001mm。

2.2 試驗過程

第一步：金相處理及硬度檢測。先用240號砂紙粗磨，然后用700號砂紙細磨，再經兩道拋光程序，通過金相方法檢查直至試樣表面完全去除變形層，之后經700號細砂紙處理去除腐蝕層，接下來對試樣進行硬度檢測即隨機在試樣加工面測試6點硬度。

第二步：車床加工處理及硬度檢測。車床加工過程中采用不冷卻加工之后，分別采用240號粗砂處理15s和700號細砂紙處理60s，分別得到Ra0.8和Ra0.4兩種粗糙度的表面，然后分別對其進行硬度檢測；車床加工過程中采用冷卻加工之后，用240號粗砂紙處理15s，得到Ra0.4的表面，然后對其表面進行硬度檢測。

第三步：刨床加工處理及硬度檢測。用刨床加工完之后，分別采用240號粗砂紙處理15s和700號細砂紙處理60s，分別得到Ra0.8和Ra0.4兩種粗糙度的表面，然后分別對其進行硬度檢測。

第四步：磨床加工處理及硬度檢測。用磨床加工完之后，分別采用240號粗砂紙和700號細砂紙處理分別采用240號粗砂處理15s和700號細砂紙處理60s，，分別得到Ra0.8和Ra0.4兩種粗糙度的表面，然后分別對其進行硬度檢測。

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

3 試驗結果分析

（1）試驗結果。將上述兩種試驗方法獲得的大量數據進行整理，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）試驗結果分析。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比可以看出，磨削加工處理試樣的檢測結果最接近金相處理的檢測結果，即磨削加工處理的試樣其硬度值最接近材料的真實硬度值，相比較刨床加工和車削加工偏差相對大一些，一般比真實值高。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，在實驗過程中，在相同的硬度檢測條件下，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） 試驗結果討論。①本試驗存在著機械-熱作用及機械加工變形，本文討論的這三種機械加工方法在對材料進行機械加工后，對其硬度值都存在一定的影響，影響依次順序是車、刨、和磨（削），它的變化機理主要是按照材料機械加工的熱影響和機械加工材料的變形程度實現的。在加工過程中采用冷卻條件也是為了降低機械熱作用對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處理的時間較短即變形層去除的相對較少，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，在測量硬度壓痕時也會造成視覺上的偏差，也會對硬度只有影響。 ③按照工程實際，在確定金屬材料硬度上它沒有確切的標準。主要是按照材料狀態與試驗條件確定的，所以說，在試驗時選擇的條件、方法等都會給硬度產生一定的影響。加工方法越粗糙、材料越軟，其影響越大。

4 結論

（1）金屬材料在加工過程中應盡可能減少機械-熱作用和機械變形；材料在進行維氏硬度測試時，最后的一道加工工序應采用磨床加工；試樣表面的粗糙度應控制在標準要求的范圍內，以保證得到材料表面較真實的硬度值。

（2）為了獲得金屬材料相對準確的維氏硬度值，試驗室很有必要統一試樣的加工方法和后期處理條件。