金属硬度与强度的关系(1)

金属硬度与强度的关系(1)

硬度和强度在冶金和机械制造的生产过程与最终产品检验中是两个极重要的基本指标。强度指标在相当大的程度上决定着材料的使用价值,而硬度由于检测方法简便、迅速、又不破坏零件,因而有时采用硬度检验来衡量材料及制件的品质。

硬度检测在应用上具有独特的优点。特别是在工业生产和科研试制中,有时由于制件太大、太小、太薄或几何形状不规则等原因而难以直接测定其强度;有时制件在使用过程中,或在维修过程中无法测定其强度。在这些情况下,人们往往通过测定硬度以及利用硬度—强度换算关系获得强度来检查和衡量制件的品质。因此了解硬度与强度的关系不仅有用而且十分必要。

一、硬度与强度的类似点

硬度与强度都是材料在外力作用下抵抗变形和破裂的能力的反映,只是应力状态不同而已。

例如应用最广泛的压头硬度计(布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、显微硬度等),其硬度数值实质上就是表示金属局部表层低抗外物压入所引起的塑性变形抗力的大小,它在真应力—真应变曲线上的位置如图1所示(图1中也给出了刻画式硬度值对应的位置)。在硬度测试时,被测金属系处于侧压加载方式下的应力状态。在力学状态图上,这一应力状态线处于很徒的位置,如图2所示。所以压入法类型的硬度试验也可认为是金属的侧压试验。由图可以看到,它与拉伸时(可测得强度)的主要不同只是应力状态“软性系数”α值不同而已。在单向拉伸时,最大切应力t与最大正应力S之比为0.5(即软性系数α=t/S=0.5),材料先发生弹性变形,屈服强度和断裂(正断)强度以及伸长率、断面收缩率等强度和塑性指标。而压入法硬度测试时,软性系数α>2,属于极软的应力状态。若负荷足够大,材料是先发生弹性变形,屈服后发生塑性变形,最后在切应力作用下发生切断式延性断裂。若适当控制压入负荷,则材料会发生弹性变形和比单向拉伸时大得多的塑性变形而不发生切断。这时起始塑性变形抗力和继续塑性变形的抗力(即变形强化能力)就直接决定着压入或硬度值的大小。正是由于压入式硬度测试与单向拉伸之间存在着上述类似点,因此其硬度值与强度之间也存在着一定的关系。

 应变关系及材料力学示意图.jpg 

至于以重锤回弹高度决定的肖氏硬度和以冲击体回弹速度决定的里氏硬度,由于它们的数值均取决于被测材料弹性比功的大小,而弹性比功=1/2σeεe=σe2/2E,即弹性比功的大小与作为强度指标之一的弹性极限σe有定量关系。一定材料的其他强度指标σsσb等又与σe有关,因此一些材料的肖氏硬度或里氏硬度与强度也有一定的关系。



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