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紧固件的硬度测试 (标乐金相制样设备)
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  • 时间:2022-01-05 17:25

在紧固件的质量管控中会进行一些测试,以确保产品符合相关标准的要求,从而在使用中实现最佳性能。硬度测试是评估紧固件部件制造工艺的常规测试之一,用于评估黑色金属紧固件的渗碳和脱碳,或评估螺纹轧制工艺的影响,以及通过加工硬化对有色金属紧固件的相关强度改进。一些ISO 和ASTM 标准,如EN ISO898,ASTM F2328M或ASTM El077,ASTM F606/M和ISO 3887,都对硬度测试的方法进行了说明。

本文将重点介绍黑色金属材料的一些硬度测试要求,以及评估紧固件的备选方法,包括如何对有色金属材料进行测试评估。

对于黑色金属材料对不同区域进行测试,如图1所示,该方法可以确定母材金属区域的高度(E)和部分脱碳区/渗碳区的检测(2)。

图1. 脱碳层分布图

      1. 全脱碳层               2. 不完全脱碳层
3. 中径线                  4. 基体金属
E. 基体金属高度        G. 全脱碳层
   Hl. 最大实体条件下外蝶纹的牙高度

此外,螺纹滚压工艺作为一种常见的强化方法,与螺纹加工紧固件或未滚压螺纹的热处理紧固件相比,滚压工艺可将材料强度提高至少25%,并且具有将疲劳强度提高75%的额外优势。可以进行硬度测试来判定这些方法的不同。

 

|硬度测试|

常规部件测试和回火检查

对于无法进行拉伸测试的紧固件,可以进行硬度测试,以验证热处理工艺,并确保所需的硬度不超过紧固件上允许的最大硬度。如果部件的硬度超过最大允许水平,部件在使用过程中就会发生脆化。常规的硬度检查通常是在合适的表面或穿过紧固件螺纹区域的横截面上进行的。标准规定了10千克力的最小载荷,以及在螺纹横截面上的特定区域,如图2所示,应在这些区域对螺纹轴进行测试。测试也可以在头部平面、紧固件的末端或在没有螺纹的柄部(除去任何电镀或其他涂层)进行。


1. 紧固件轴线       2. 1/2半径区域 

图2. 显示了应进行压痕测试的位置,以及实际的洛氏测试。

另一个关键测试是回火检查。这是为了确认在热处理过程中是否达到了最低回火温度,这在紧固件部件失效的争端或仲裁中尤为重要。该测试包括对紧固件进行回火,将其保持在比最低回火温度低10°C的温度下,然后使用显微硬度计检查来获得回火后的平均值。对回火前和回火后的平均值进行比较。平均硬度值的任何减少都应小于20HV。

脱碳/渗碳的硬度评估

作为常规部件测试的替代方法,黑色紧固件也可以通过硬度压痕来评估脱碳/渗碳检查,如图3所示。热处理过程中的脱碳/渗碳会导致碳的损失偏低。测试的目的是通过确定母材区高度来确定脱碳/渗碳层的深度,以及通过显微硬度检查确定哪里存在部分或全部脱碳/渗碳。脱碳/渗碳评估需要对紧固件进行金相制备,在螺纹轴附近进行切片,并在进行显微硬度评估之前将样品经过一系列的研磨和抛光处理。适用的测试力和测试标尺的关键选择标准是紧固件的螺纹间距大小。


图3. 脱/渗碳的3个点的示意图区

E. 螺纹末脱碳)层高度,mm

H1. 最大实体条件下外螺纹的牙高度

1&2&3. 测量点(1是参照点)

4. 中径线

脱碳:HV(2)≥HV(1)-30

渗碳:HV(3)≤HV(1)+30

进行渗碳评估是为了验证是否符合所需的硬度规格,并确保不超过最大硬度。高度渗碳的区域会导致表面脆化,从而影响螺纹部件的抗疲劳性。

 

|现代紧固件硬度评估|

脱碳/渗碳评估

标准中规定的另一种方法是从螺纹的峰顶向螺纹的核心区域进行一系列的压痕测试。测试结果将显示从表面到核心区域的硬度变化。这将是一种值得推荐的方法,以突出核心硬度方面的相当大的变化。同样,也可以在螺距层面进行一系列压痕,压痕垂直于表面,如图4所示。在下面的图示中使用了维氏硬度压痕,压痕间距设置为距表面0.120mm,每个压痕之间的间距为0.120mm。测试程序中可以设定与芯部硬度正负30维氏/努氏硬度相关的限值,用于脱碳/渗碳评估。当超过这些限值时,会有一个图示说明是否已经超过脱碳/渗碳限值。

图4. 结合标准中规定的传统方法

进行紧固件螺纹分析的现代方法

螺纹轧制硬度检查

螺纹滚压工艺不是传统的金属加工工艺,而是通过在紧固件的螺纹周围诱发硬化和强化来改变材料的机械性能。同样,在紧固件制造过程中,柄部和头部区域会发生加工硬化,对于某些合金材料,也可以对这些区域进行评估,以说明其硬度值较高。如图5中的显微照片所示,这些部件也可以通过硬度图来对紧固件进行定性和定量概述。


图5A部分紧固件螺纹,由于轧制而观察到的晶粒流动

图5B显示轧制的螺纹紧固件

图5C显示头部和柄部区域周围的硬度图

图5D显示了抛光截面上的晶粒流动

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