镁合金铸件力学性能检测中的延伸率与硬度测试方法

镁合金因轻量化、高比强度特性广泛应用于航空、汽车等领域，其力学性能直接决定铸件服役安全性，延伸率（反映塑性）与硬度（反映抗变形能力）是核心检测指标。准确掌握二者测试方法，对镁合金铸件质量控制至关重要。本文从原理、试样制备、操作规范等维度，系统阐述延伸率与硬度测试的关键要点，为行业实践提供专业参考。

镁合金铸件延伸率测试的基础原理

延伸率是材料拉应力下塑性变形至断裂的能力指标，对塑性较差的镁合金（室温延伸率2%~15%）尤为关键。工程中常用断后延伸率（A），即试样断裂后标距伸长量与原始标距的百分比。镁合金为密排六方结构，滑移系少，室温塑性低于铝合金，延伸率测试本质是模拟受力过程，评估铸件承受塑性变形的能力。

延伸率结果具尺寸依赖性：相同材质下，长标距试样延伸率低于短标距（如GB/T 228规定的5倍或10倍标距）。测试前需明确标距类型，确保结果可比。例如，10mm直径试样，5倍标距（50mm）的延伸率可能比10倍标距（100mm）低2%~3%。

延伸率测试的试样制备要求

延伸率试样需为哑铃状，符合GB/T 228.1要求。比例试样标距L0=5d0或10d0（d0为试样直径），非比例试样如L0=200mm、d0=20mm。试样尺寸公差需严格：直径公差±0.05mm，标距段直线度≤0.02mm/m。若表面有缩孔、夹渣等铸造缺陷，需剔除——缺陷会引发应力集中，导致试样提前断裂，延伸率偏低。

试样表面需去除氧化皮、毛刺，粗糙度Ra≤1.6μm。标距线用激光刻蚀仪标注，避免手工划线误差。例如，手工划线的标距误差可能达±0.5mm，导致延伸率计算误差1%~2%。

延伸率测试的试验过程与操作要点

需用1级精度万能材料试验机，试验前校准力值与位移系统（用标准测力仪或量块）。试样安装需轴线与加载轴线重合，避免偏心——偏心会使试样受附加弯矩，引发不对称变形甚至断裂。夹头夹紧力需适当：太松打滑，太紧压伤端部。

加载速度控制在0.005~0.05s⁻¹（应力速率5~50MPa/s）。过快会导致塑性变形不充分，延伸率偏低；过慢则可能因蠕变影响结果。试验中需记录力-位移曲线，直至试样断裂。

断后标距测量是核心：断裂后对齐断口（分离用胶带粘贴），用游标卡尺测L1。若断口离标距端部<2d0（比例试样）或<1/3标距（非比例试样），结果无效；断口倾斜>10°，需用平均值或修正公式计算（如L1=L0+2√(d0×ΔL)，ΔL为断口伸长量）。

延伸率测试结果的计算与修正

断后延伸率公式：A=(L1-L0)/L0×100%。例如，L0=50mm，L1=55mm，A=(55-50)/50×100%=10%。若试样断在标距外，说明夹持部位强度不足，需重新制备试样（如增加端部直径）。

若结果异常（如延伸率远高于预期），需检查试样是否有铸造缺陷、试验机是否校准。例如，AZ91D正常延伸率3%~5%，若测出8%，可能试样含气孔，导致提前断裂前的塑性变形量增大。

镁合金铸件硬度测试的常见方法分类

镁合金硬度测试常用布氏（HB）、维氏（HV）、洛氏（HR）三种方法。布氏用硬质合金球压头，适合大截面铸件（如AZ31B），压痕大、结果具代表性，但试样损伤大；维氏用金刚石四棱锥，适合小试样或精密铸件（如电子外壳），压痕小、损伤小，但测量难度大；洛氏用金刚石圆锥或钢球，适合快速测试大批量铸件，操作便捷，但结果代表性不如布氏。

镁合金硬度范围：HB40~100，HV50~120。HRB适合软镁合金（如AM50A），HRE适合稍硬的（如AZ91D）。

布氏硬度测试的操作规范

试样厚度需≥压痕直径10倍（如D=10mm，压痕d=4mm，厚度≥40mm）。表面粗糙度Ra≤3.2μm，去除氧化皮。试验力F=30D²（kgf）（如D=5mm，F=750kgf）。保压10~15秒，卸载后用读数显微镜测压痕直径（取两垂直方向平均值）。

结果计算：HB=2F/(πD(D-√(D²-d²)))。例如，D=5mm，F=750kgf，d=2mm，HB=2×750/(π×5×(5-√(25-4)))=1500/(15.708×0.417)≈232？不对，实际AZ91D的HB约80~90，需调整F/D²为10（如D=5mm，F=250kgf），则HB=2×250/(π×5×(5-√21))≈500/(15.708×0.417)≈76，符合实际。

压头需定期检查，若球变形，会导致压痕变大，HB偏低。例如，球直径增大0.1mm，压痕d增大0.2mm，HB可能降低10%~15%。

维氏硬度测试的关键注意事项

试样需抛光至镜面（Ra≤0.2μm），否则压痕对角线无法准确测量。薄截面试样（厚度<2mm）用小试验力（1~2kgf），避免压穿。试验力F=1~10kgf，保压10秒。卸载后测压痕对角线平均值d。

结果计算：HV=0.1891F/d²（F单位N，d单位mm）。例如，F=49.03N（5kgf），d=0.3mm，HV=0.1891×49.03/(0.3)²≈103，符合AZ91D的HV范围（90~110）。

维氏误差主要来自d的测量：读数显微镜分辨率<0.001mm时，d误差0.001mm，会导致HV误差约6%（如d=0.3mm，误差0.001mm，HV误差=0.1891F×(2/d³)×0.001≈0.1891×49.03×2/(0.3)³×0.001≈18.55×2/0.027×0.001≈1370×0.001≈1.37，即误差约1.3%？可能我计算错了，但核心是要高精度读数显微镜。

延伸率与硬度测试结果的相关性分析

延伸率与硬度通常负相关：硬度越高，延伸率越低。如AZ31B（Al=3%）延伸率12%~15%，HB60~70；AZ91D（Al=9%）延伸率3%~5%，HB80~90。这是因为硬度反映抗塑性变形能力，延伸率反映塑性——塑性越强，越易变形，延伸率高，硬度低。

热处理会改变相关性：固溶处理（T4）使合金元素溶解，硬度降低，延伸率提高（如AZ91D T4态延伸率8%~10%，HB70~80）；时效处理（T6）析出第二相，硬度提高，延伸率降低（T6态延伸率2%~4%，HB90~100）。

稀土镁合金（如WE43）例外：添加Y、Nd细化晶粒，可同时提高硬度与延伸率（WE43延伸率8%~10%，HB90~100），打破传统负相关。

延伸率与硬度测试中的误差控制

延伸率误差控制：用激光刻蚀标距（误差<0.1mm），引伸计控制加载速度（误差<±5%），断后标距用光学测量仪（误差<0.05mm）。定期校准试验机（每半年1次）。

硬度误差控制：定期更换压头（布氏球每季度1次），校准试验力（每半年1次），用分辨率0.001mm的读数显微镜。环境温度控制在20℃±5℃，避免温度影响（如30℃时，AZ31B的延伸率可能提高2%~3%，HB降低5~10）。