硬度试验及硬度与其他性能换算的局限性(1)

硬度试验及硬度与其他性能换算的局限性(1)

一、硬度试验的特点

现以压入法硬度为例,将这些特点归纳如下:

1. 压入硬度在测试时,其加载方式的应力状态最软(α>2),即最大切应力远大于最大正应力。任何金属材料在这种应力状态下都会发生塑性变形,被测试样即使很脆也不会完全破坏,因此原则上任何金属材料均可进行压入法硬度测试,并保证被测材料不被破坏,即硬度试验可视为非破坏性试验。这一点对于许多制件十分重要。

2. 在制件无法加工成其他力学性能试样的情况下,硬度试验就是唯一的力学性能试验。对于一些大型制件,也可用便携式硬度计进行硬度测试。

3. 硬度试验可用来鉴定金属的组织组成物或相组成物(如显微硬度等),并可用来检查薄片或表面层(如化学热得下载缺件的表层,金属镀层或涂层等)的品质。这是其他力学性能测试难以做到的。

4. 硬度试验设备和操作相对简单、方便和易于掌握。

5. 特别有用的是,正如本章所述,硬度与其他性能之间存在着一定的关系,因此在材料生产、研究和选用时,可以较迅速地利用硬度测试来判断、检验金属材料及其制件的其他力学性能,以及在生产、研究过程中控制和优化工艺。

正是由于硬度试验具有这些特点,因此它在生产和研究中得到广泛的应用。硬度试验已成为材料力学性能试验中最基本的、首先的、和必不可少的重要测试方法。

二、硬度试验的局限性

以上谈到了硬度试验的特点及其重要性。但是,硬度试验绝不是万能的。由于硬度仅反映材料表层局部小体积内的变形抗力和破裂力,因此它在使用时也有一定的局限性。

1. 仅用硬度值不能反映不同材料的力学性能

对于不同材料,若其抗拉强度(σb)、屈服强度(σbσ0.2)、伸长率(δ)、断面收缩率(ψ)和冲击韧性(αk)等力学性能指标相同,则有很多情况下可认为它们在种种承载条件下的力学行为相同且具有可互换性。例如在机械制造中可以用40 MnB代替40 Cr,因为二者的σb、σs、δ、ψ和Ak相同或相近(见表1)。但是,若两个钢制零件仅仅硬度相同,它们的其他力学性能可能有很大的差异。例如含碳量相同,但合金元素含最早不同的两种钢制成的两个轴,经调质处理后的力学性能如图1所示,由图1可见二者的硬度相同,但其他力学性能区别甚大:合金元素少(淬透性低)的钢轴,其他力学性能(特别是冲击韧性)比合金元素较多(淬透性高)的钢轴低得多。

两种结构钢的力学性能

材料

σb/MPa

σs/MPa

δ5/%

Ψ/%

αk/kJm-2

HB压痕/mm

40 Cr

40 MnB

1000

1000

800

800

9

10

45

45

588.3

588.3

4.2

4.2

注:①退火或淬火高温回火后的布氏硬度压痕

力学性能.jpg 

1  合金元素含量不同、碳含量相同的两种钢轴经调质后的力学性能(示意图)

2. 仅硬度值不能说明缺件的整体力学性能

一些材料牌号相同的制件,其硬度值可以相同,但因热处理工艺不同,其整体力学性能可能有较大的差异。例如45钢,当调质与正火获得相同硬度值HB 200时,调质态的σb=620 MPa,而正火态的σb只有540 MPa;调质态制件具有强度、硬度、塑性、韧性、韧性的良好配合,即具有较优的综合力学性能,而正火制件的强韧性(特别是冲击韧度)要差得多。



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