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 導(dǎo)  言 : 

對(duì)于彈丸來說，硬度是對(duì)沖擊彈丸顆粒引起的局部塑性變形的抵抗力。因此，我們有兩個(gè)感興趣的領(lǐng)域：被噴丸部件的硬度和噴丸顆粒本身的硬度。部件的硬度通常是我們無法控制的。為了確定彈丸流的強(qiáng)度而進(jìn)行噴丸處理的阿爾門試片的硬度是個(gè)例外。硬度出現(xiàn)在彈丸顆粒和阿爾門試片的規(guī)范中，因此需要進(jìn)行測(cè)試。

操作人員通常會(huì)盲目地接受規(guī)定的硬度值和表面硬度測(cè)試方法。于是，硬度測(cè)試就成了雷區(qū)。如果我們要避雷，就需要考慮三個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域：（1）樣品異質(zhì)性，（2）測(cè)試方法和（3）壓痕尺寸。

彈丸的硬度測(cè)試通常引用洛氏、維氏和努氏技術(shù)中的一種或多種。布氏硬度技術(shù)通常被部件制造商采用。這些技術(shù)的細(xì)節(jié)可以通過互聯(lián)網(wǎng)隨時(shí)獲得，因此本文只討論選定的特性。

當(dāng)試圖優(yōu)化硬度測(cè)試時(shí)，最好的方法是遵循墨菲定律，即“如果任何事情都可能出錯(cuò)，那么它就會(huì)出錯(cuò)”！

樣品異質(zhì)性

樣品異質(zhì)性可分為微觀異質(zhì)性和宏觀異質(zhì)性。顯微硬度和宏觀硬度測(cè)試可以用來監(jiān)測(cè)這兩個(gè)部分。

微觀異質(zhì)性

實(shí)際上，所有的部件和彈丸都包含不止一種成分，即相。圖1是多組分金屬的一個(gè)有用的類比。一個(gè)典型的水果蛋糕包含硬顆粒（堅(jiān)果），軟顆粒（水果）和一些孔隙（櫻桃中心）以及基質(zhì)蛋糕混合物。這與許多金屬合金中遇到的情況類似。

圖1 水果蛋糕成分（確認(rèn)簡單配方）

水果蛋糕類比也有助于獲得對(duì)部件加工硬化的理解。想象一下，甚至試著用手指壓扁一塊水果蛋糕。有一點(diǎn)很明顯，硬核粒子不會(huì)變形。

這與金屬發(fā)生塑性變形時(shí)發(fā)生的情況正好吻合——硬顆粒（相）提供了最大的變形阻力。軟基體材料首先變形，然后硬化。最硬的粒子可能永遠(yuǎn)不會(huì)變形。

宏觀異質(zhì)性

宏觀異質(zhì)性的例子包括噴丸部件表面層（與次表面材料相比）、脫碳和彈丸顆粒。顯微硬度測(cè)試通常用于研究這些現(xiàn)象。圖2舉例說明了脫碳引起的宏觀均勻性。壓痕位置要求在組成特征之間，且壓痕必須具有適當(dāng)?shù)拇笮　?/p>

圖2 脫碳鋼的宏觀均勻性

壓痕尺寸

壓痕尺寸的知識(shí)對(duì)于正確應(yīng)用和理解硬度測(cè)試至關(guān)重要?！按蟆眽汉叟c宏觀硬度測(cè)試相關(guān)，“小”壓痕與微觀硬度測(cè)試相關(guān)，但什么是“大”，什么是“小”？

維氏和努式壓痕尺寸的預(yù)測(cè)很簡單，因?yàn)樗鼈兌蓟跍y(cè)量壓痕對(duì)角線的長度。洛氏壓痕尺寸的預(yù)測(cè)是復(fù)雜的，因?yàn)樗腔趬汉鄣纳疃取Ｋ杏捕戎稻允┘釉趬侯^上的力F除以壓痕面積A為基礎(chǔ)。力越大，壓痕越大?？梢允褂靡阎臉悠酚捕群褪┘虞d荷的大小為每種測(cè)量技術(shù)來計(jì)算壓痕尺寸。

與水果蛋糕相似，圖3代表了一個(gè)“大”凹痕。這相當(dāng)于多相金屬樣品上的宏觀硬度壓痕。壓痕足夠大，可以容納所有類型的相，并給出平均硬度值。

圖3 “大”壓痕類比

布氏壓痕尺寸的計(jì)算

布氏硬度值 HB 是施加到壓頭上的力 F 除以所得壓痕的面積 A。

壓痕面積由下式給出：

A=π.D[D–（D2–dB2）0.5]/2

其中D是球的直徑，dB是壓痕的直徑。對(duì)F/A應(yīng)用代數(shù)運(yùn)算表明：

                                              dB=[D2–（D–2F/HB*π*D）2]0.5                                    (1)

使用公式（1）估算壓痕直徑很容易通過使用互聯(lián)網(wǎng)來源的計(jì)算器實(shí)現(xiàn)。輸入布氏值443、球直徑1 mm和500 gf載荷,可得壓痕直徑為0.038 mm。

圖4表示與顯微硬度測(cè)試相同的“小”壓痕。各種壓痕尺寸表示不同的相位位置。

維氏壓痕尺寸的計(jì)算

維氏硬度值HV是施加在136˚金剛石壓頭上的作用力F除以產(chǎn)生的壓痕面積A。壓痕面積由下式給出：

   A=dV2/（2*sin（136˚/2））=dV2/1.8544以便：

HV=F/A=F*1.8544/dV2（kgf.mm-2），因此：

                                   dV=[F*1.8544/HV]0.5                                                                 （2）

 國際單位制，Nmm-2，dV=[F*0.1891/HV]0.5。

圖4 “小”壓痕類比

作為一個(gè)例子，考慮推薦用于測(cè)試彈丸的力為500 gF（0.5 kgF）。如果特定顆粒的硬度為500 HV，則d=[0.500*1.8544/500]0.5=[1.8544/1000]0.5或d=0.043 mm。圖5是公式（2）的圖示，用于噴丸機(jī)特別相關(guān)的硬度范圍，僅使用兩種常用載荷。

圖5 硬度和載荷對(duì)維氏壓痕尺寸的影響

洛氏硬度值到等效維氏硬度值的轉(zhuǎn)換可以通過使用互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)站或以下公式輕松實(shí)現(xiàn)：

      HV=（223*HRC+14500）/（100–HRC）和

HRC=（100*HV–14500）/（HV+223）

圖6是洛氏/維氏硬度轉(zhuǎn)換的圖示。

圖6 洛氏/維氏硬度換算

洛氏壓痕尺寸的估算

洛氏壓頭的夾角為120°，而維氏壓頭的夾角為136°。這意味著對(duì)于給定的施加載荷，以下關(guān)系適用：

回顧上一個(gè)例子（其中500 gf施加在維氏硬度為500 HV的材料上），預(yù)測(cè)對(duì)角線為0.043 mm。應(yīng)用公式（3）表明，洛氏壓痕的對(duì)角線為0.042 mm。差別很小！

公式（3）的推導(dǎo)如下：

        維氏壓痕面積=AV=dV2/（2*sin（136˚/2））=dV2/1.85442而

洛氏壓痕面積=AR=dR2/（2*sin（120˚/2））=dR2/1.732

當(dāng)相同的應(yīng)力F/A施加在同一材料上時(shí)，維氏壓頭和洛氏壓頭都停止壓痕。當(dāng)對(duì)兩個(gè)壓頭施加相同的力F時(shí)，結(jié)果如下：

    F/AR=F/AV因此AR=AV以便

   dR2/1.732=dV2/1.85442或

      dR2/dV2=1.732/1.85442因此

        dR/dV=（1.732/1.8544）0.5或

                                                             dR/dV=0.966

努氏壓痕尺寸估算

努氏硬度HK的計(jì)算公式為：HK=14.229F/L2

式中，L是較長壓痕對(duì)角線的長度（單位：mm），見圖7。

因此：

                                                             L=（14.229*F/HK）0.5                                                 （4）

圖7 努氏硬度測(cè)試中測(cè)量的較長對(duì)角線

 舉一個(gè)例子，考慮推薦用于測(cè)試丸粒的力為500 gF（0.5 kgF）。如果特定顆粒的硬度為500 HK，則L=[0.500*14.229/500]0.5=[14.229/1000]0.5或L=0.119 mm。這可與維氏和洛氏壓痕（使用相同載荷）的對(duì)角線長度0.043 mm進(jìn)行比較。努氏壓痕的長對(duì)角線約為相同硬度金屬上維氏和洛氏壓痕對(duì)角線長度的三倍。這個(gè)比率通常被引用。

圖8根據(jù)公式（4）顯示了努氏對(duì)角線的長度如何隨兩種常用載荷和努氏硬度而變化。

圖8 硬度和載荷對(duì)努氏長對(duì)角線的影響

噴丸硬度測(cè)試

彈丸硬度對(duì)噴丸機(jī)至關(guān)重要。在此我們只討論彈丸的測(cè)試。然而，所有硬度測(cè)試都基于兩個(gè)考慮：

(1) 擬采用的技術(shù)

(2) 應(yīng)用所選技術(shù)時(shí)采用的程序。

1.擬采用的技術(shù)

噴丸制造商采用的技術(shù)通常由規(guī)范要求決定。不幸的是，已發(fā)布的規(guī)范對(duì)于采用哪種技術(shù)（洛氏、維氏或努式）——或?yàn)槭裁床捎谩⒉豢偸呛芮宄?。宏觀硬度技術(shù)和微觀硬度技術(shù)之間存在模糊區(qū)。 如表1所示，19比1的標(biāo)準(zhǔn)彈丸直徑范圍就是例證。

表1.使用J444推導(dǎo)的標(biāo)稱噴丸直徑

將壓痕尺寸與彈丸直徑聯(lián)系起來是很重要的。舉一個(gè)例子，考慮使用500 gF施加的載荷來指定S70彈丸硬度為450努氏硬度。圖9顯示，中心位置壓痕的長對(duì)角線0.127 mm將是0.1778 mm標(biāo)稱直徑的很大一部分！壓痕周圍的變形區(qū)域一定會(huì)到達(dá)彈丸表面。另一方面，對(duì)于較大的彈丸尺寸，該部分會(huì)迅速減小。如果球從表面到中心都很硬的話，這個(gè)問題就不會(huì)太大，但這是非常特殊的。明顯的替代方法是采用維氏或洛氏技術(shù)。對(duì)于500 gf載荷，維氏/洛氏壓痕直徑僅為0.047 mm，如圖9所示。還應(yīng)記住，鑄鋼丸的直徑范圍很廣。在這個(gè)范圍的底端，一些S70顆粒的直徑將遠(yuǎn)小于0.127毫米！

圖9 500 gf努氏壓痕，用于450 HK S70彈丸顆粒

2.應(yīng)用所選技術(shù)時(shí)采用的程序

一些規(guī)范包括所選技術(shù)必須采用的程序說明。AMS 2431給出了使用努氏或維氏技術(shù)進(jìn)行顯微硬度測(cè)試的廣泛指導(dǎo)。SAE J827包含以下關(guān)于擬采用程序的具體指導(dǎo)：

10.2測(cè)試用樣品安裝。用于測(cè)試硬度、微觀結(jié)構(gòu)和不良缺陷的彈丸樣品應(yīng)在膠木或其他合適的強(qiáng)冶金樣品安裝介質(zhì)中安裝一層。

安裝好的樣品應(yīng)研磨至顆粒中心，并采用顯微鏡檢查可接受的方法進(jìn)行拋光。研磨和拋光樣品時(shí)，必須注意不要使樣品過熱并影響顯微結(jié)構(gòu)和/或硬度。

10.3硬度測(cè)試。硬度測(cè)量應(yīng)在安裝樣品中至少10個(gè)顆粒的半半徑處進(jìn)行。

硬度應(yīng)使用ASTM E 384測(cè)定，HCS S280及更細(xì)的應(yīng)使用500 g載荷，尺寸HCS 330及更大的應(yīng)使用500或1000 g載荷。只要可以通過對(duì)照已知標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)試驗(yàn)機(jī)獲得可靠的硬度轉(zhuǎn)換，就可以使用其他顯微硬度測(cè)試方法。洛氏C硬度值的近似換算可從ASTM 140和硬度測(cè)量儀的制造商處獲得。

必須在半半徑處進(jìn)行測(cè)量，看起來排除了采用努氏試驗(yàn)測(cè)定丸粒硬度的可能性！

樣品安裝指南提出了一個(gè)問題：“粒徑變化會(huì)產(chǎn)生什么影響？”我們不能假設(shè)樣品中的每個(gè)彈丸粒徑都相同。圖10示意性地說明了直徑變化的影響。按照說明：“安裝的樣品應(yīng)研磨到顆粒的中心”是很棘手的！會(huì)有一個(gè)范圍，上基線（一些顆粒消失的位置）明顯的部分，到所有顆粒都小于其直徑的下基線的位置。更為復(fù)雜的是，單個(gè)顆粒的硬度從表面到中心可能會(huì)發(fā)生很大變化。

圖10 安裝樣品研磨示意圖

 硬度測(cè)試替代方案

硬度測(cè)試需要專門的技能和設(shè)備，而噴丸者本身通常不具備這些技能和設(shè)備。問題是：“有沒有替代傳統(tǒng)硬度測(cè)試的有效方法？”一種可能是使用倒置的硬度計(jì)程序。作為介紹，想象一下拿著一支（便宜的）圓珠筆的頂端，然后從高處把它扔到一個(gè)非常堅(jiān)硬的表面上。撞擊后會(huì)彈起。

使用硬度計(jì)程序，沖擊球比目標(biāo)材料硬。顛倒過程，我們可以使用噴丸粒子作為壓頭和比丸料顆粒硬的多的目標(biāo)材料。在撞擊時(shí)，彈丸會(huì)變形而不是使目標(biāo)凹陷。因此，回彈高度將隨著彈丸顆粒硬度的增加而增加。圖11示意性地指出了與圓珠筆球頭平行的適當(dāng)位置。該裝置的其余部分與硬度計(jì)類似。

  結(jié)論

（1）硬度測(cè)試的影響因素為材料異質(zhì)性、測(cè)試方法和壓痕大小。

（2）彈丸硬度測(cè)試，只有維氏和洛氏技術(shù)適合。

（3）根據(jù)ASTM E 384，選擇彈丸硬度測(cè)試的參數(shù)，樣品根據(jù)圖10所示研磨到位，在至少10個(gè)顆粒的半徑處進(jìn)行測(cè)量。

圖11擬用壓頭點(diǎn)的示意圖

（4）可考慮圖11的裝置，即倒置的硬度計(jì)程序來代替常規(guī)硬度測(cè)試方法。

（5）很明顯，即使最仔細(xì)地應(yīng)用現(xiàn)有的規(guī)定程序，硬度測(cè)量的可變性也是不可避免的。