深入解读硬度测试云图

2022-10-08 13:26:15, 标乐中国标乐中国

硬度测试

概念

Hardness Testing

硬度测试

概念

硬度是指固体材料抵抗外界入侵的能力。它是一种材料特性的描述，其表现是在静态负载下形成塑性变形、压痕或划痕。通过一定的测试方法得到硬度值。主要有以下类型：

|| 布氏硬度：通过碳化钨球压头在材料表面施加压力，根据施加的力值与压痕面积的比例计算出硬度值；

|| 洛氏硬度：使用锥形金刚石或碳化钨球压头，根据最终压痕深度和初步压痕深度测量值之差计算得出硬度值；

|| 维氏和努氏硬度：维氏使用正四棱锥体金刚石压头，努氏使用菱形金刚石压头。通过压头将轻微的力施加到材料的表面，并通过光学方法测量对角线计算得出硬度值。

标乐在硬度测试领域拥有超过百年的经验，可以为上述硬度测试方法提供单独解决方案，也可将这些方法整合到一台设备中。下文中主要介绍了焊接件的维氏测试，以及如何将其应用于生成材料的硬度彩色云图。云图显示了整个需要测量区域的硬度梯度，特别有助于直观体现材料硬度的分布情况。

焊接测试

WELD TESTING

焊缝可能是相同材料的焊接，也可能涉及到不同材料的焊接，在焊接区域附近的组织会显示出不同的机械性能。是由于在工艺过程中的高温使材料间发生了融合，导致微观结构到宏观局部都会发生变化。

熔合线附近的焊接区域（母材）的微观结构变化对焊缝的性能提出了影响，该区域容易产生高残留应力，以及不希望出现的组织结构，使焊点区域容易失效。该区域被归类为焊缝中的热影响区(HAZ)。如图1(a)所示，焊接的区域可以细分为几个不同的区域，包括显示焊缝熔深的母材区、热影响区、焊缝区。对于多道焊接的样品，由于焊接结构的建立，每个焊道都会有相应的热影响区、熔合线和焊缝，如图1(b)所示，有3个焊道。

图1(a)是焊缝、热影响区和母材的示意图，(b)显示了在低合金钢基体上用2%Nital蚀刻的圆角焊缝和三个焊道，以显示焊缝、热影响区和构成焊缝的三个焊道。

为了观察焊接的微观结构，通过金相制备包括磨抛腐蚀等步骤来揭示微观结构，图1(b)。然后可以对热影响区的程度和范围进行金相分析，以确定容易形成微裂纹的极端微结构变化的潜在区域。

图2说明了角焊缝的硬度测试，以及从母材、热影响区和焊接区域观察到的差异

为了定量了解焊接微观结构，通常根据ISO 9015/15614进行压痕硬度测试，该标准描述了测试方法；规定了母材、热影响区和焊缝的载荷、压痕数量，以及压痕之间的距离和焊接接头表面以下的深度。要满足标准中规定的要求是相当困难的，耗费时间且受限于操作员的技能/经验。使用标乐的DiaMet自动化硬度测试软件可简化这个过程，如图2和图3所示，分别是角焊和对接焊。

图3说明了对接焊缝的硬度测试，图表显示了热影响区（HAZ）周围的局部变化

根据焊缝和母材类型，焊缝的不同区域将表现出不同的微观结构。如上图2和3所示，这些微观结构具有不同的硬度水平。当您向焊缝移动时，您将从不间断的母材开始，接着是一个带有回火和临界间热影响区的区域，一个细晶粒的热影响区，一个朝向焊缝熔合线的粗晶粒的热影响区，然后是焊缝。热影响区表现出不同的微观结构，并且总是容易出现硬度的局部变化，如图3蓝色圆圈所示。很明显，基于ISO9015的标准技术可能捕获热影响区周围硬度的局部变化，因为它涉及到一排压痕。为了全面了解焊缝的情况，焊缝云图可以提供这种局部变化和潜在高应力位置的详尽概述。

云图

MAPING

图4(a)显示了焊缝云图，图中显示了实际的维氏硬度值

随着自动化硬度测试、测试速度的提高和硬度测试软件的发展，现在可以采用另一种方法对焊接部件进行定性和定量测试。这包括在焊缝扫描区域上进行多个压痕，然后将从母材到焊缝的硬度值差异用不同颜色代码进行分配，由软件提供硬度变化的视觉输出。使用压痕映射的主要优点是易于识别存在高残余应力的区域。该图也可用于定性研究热影响区、母材和焊接区域，而无需腐蚀样品。图4显示了图1和图2中的焊接样品，图中有大约3000个压痕。

图4(b)显示了焊道（红色较硬）、热影响区域（浅蓝色）和母材（蓝色）

对比图4(b)和上面的图1，用这两种方法腐蚀和绘制的显微图之间有良好的相关性，显示了焊缝、热影响区和母材材料。

图5(a)显示了从根部到焊帽的一系列焊道，(b)和(c)用云图的方式展现两个对焊部件的硬度梯度图。可以明显的看到在焊缝图显示了高应力区，其特征是焊缝表面焊趾周围、熔合线附近热影响区下方以及焊缝根部的高硬度区域

图5显示了通过一连串的多道工序建立起来的钢材对接焊缝样品(a)。这些类型的焊缝通常通过焊后热处理（PWHT）来减轻堆焊过程中产生的残余应力。然而残余应力并未完全消除，焊后热处理后的焊缝检查也会显示出这些区域，如图5(b)和(c)所示。从图中可以看出，高残余应力存在的地方（高硬度值），主要出现在热影响区。

增材制造部件

ADDITIVE MANUFACTURED COMPONENTS

图6展示了一个增材制造的部件，红色区域被认为是具有高残余应力的区域

增材制造部件是通过逐层添加材料而形成的。这些部件可以由钢、钛、铬镍合金等多种材料制成。制造工艺包括定向能沉积(DED)和粉末床熔合(PBF)技术。与PBF技术相比，DED方法通常具有更高的积聚速率，这两种技术都会因在层添加过程中的反复热循环而导致残余应力的产生。这些残余应力在部件的性能、完整性和寿命方面起着至关重要的作用，因此，评估它们的能力是至关重要的。为了绘制这些部件，它们必须首先进行金相制备，其表面光洁度取决于维氏压痕测试时使用的载荷。

感应淬火表面

CASE/INDUCTION HARDENED SURFACES

图7展示了一个硬化的齿轮齿形图，以说明表面硬化的外部区域及其在齿轮齿上的均匀性。红色的高硬度区域的维氏值接近800维氏值，而低硬度区域的典型核心值约为400维氏值。

某些机械部件通常进行表面硬化处理，以改善其机械性能，通过改善表面磨损特性，并具良好的韧性，减小应力影响而不因反复使用而失效。如图7所示，汽车行业中的齿轮，感应淬火曲柄和凸轮轴。如何均匀地进行这些表面处理，以及它们是否符合操作规定的硬度限值，获得质量可靠的产品。传统方法是对单行硬度压痕进行有效的表面硬化深度或表面硬化深度研究，从表面开始，一直到材料的核心，并注意硬度值低于550维氏点的位置。如何进行硬化请参考图7所示。

验证表面硬化/感应硬化工艺的另一种更为直观的方法是将关注区域通过绘制云图展现出来，图7通过DiaMet软件中的云图工具绘制而成，展现了样品硬度的均匀性。