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硬度试验及硬度与其他性能换算的局限性

文章来源: http://www.yingduji.net      2018-6-6 8:42:31      点击:
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(σb或σ0.2)、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。
3. 硬度对某些条件下的力学性能缺乏代表性
正是由于仅硬度不能全面反映材料的其他力学性能,特别是不能反映整体力学性能,因此在不少工作条件一,仅用硬度远不足以表征材料性能的好坏。例如,虽然硬度与疲劳极限之间有一定的近似关系,但经不能完全反映应力疲劳或应变疲劳性能,因为疲劳性能不仅与制件的综合力学性能有关(这是最主要的),而且也与制件由表面处理(如是否经过喷丸处理)引起的表面应力有关。
硬度也不能说明制件在高、低温下的性能及腐蚀环境下的性能。当然,用高、低温硬度值可以定性地比较材料的高、低温力学性能,但硬度无法说明蠕变和持久强度,因为硬度只是在很短时间内测定的力学性能指标。至于材料在腐蚀环境下的力学性能,它不仅与应力有关,更与材料的抗蚀性能的密切关系,仅用硬度就更不能说明材料性能的优劣了。
仅硬度也不能全面反映材料的耐磨性。如前所述,量具、刃具和磨球等耐磨零件,一般是硬度越高,耐磨性越好。但这仅仅是一般的、粗略的情况。因为耐磨性是一种比较复杂的力学性能,除了与硬度有关外,还与材料的组织有关。例如钢制磨性是一种比较复杂的力学性能,除了与硬度有关外,还与材料的组织有关。例如钢制磨球,在硬度(包括表面硬度、体积硬度)相同的条件下,若组织中有些较相奥氏体,由于在使用时奥氏体可能发生“变形诱发相变”或加工硬化,其耐磨性能会变好。有些钢(例如高锰钢),即使硬度不高(“水韧处理”后的Mn 13,硬度仅为HB 200左右),但由于使用时发生某种相变硬化过程,其表面硬度会迅速提高至HB 450~600,其耐磨性(主要是受到强烈冲击或较大压力时的抗磨性)相当优秀。
4. 仅用硬度难以全面衡量材料经热处理后的品质,因而难以判断热处理工艺的是否得当。
例如淬火为过热的亚共析钢制件,其硬度与正常淬火的制件相同,但前者的冲击韧度比后者低得多。这是由于淬火钢的硬度主要取决于马氏体的碳含量,而冲击韧度与马氏体组织的粗细有密切关系。过热钢的巴氏体粗大,故其冲击韧度大大降低。又如明显淬火过烧的硬铝,其硬度与不过烧的同种合金相同,但前者的强度(特别是疲劳强度)及伸长率、冲击韧度等均明显低于后者,这是过烧硬铝发生了晶界熔化氧化的缘故。
由于硬度试验存在上述局限性,因此在材料及其制件的生产和研究工作中,除了进行硬度试验外,还必须根据具体情况进行其他性能的测试。当然,这并不影响硬度试验的广泛应用。