金屬硬度與強(qiáng)度的關(guān)系(2)
二、硬度與強(qiáng)度換算關(guān)系的建立
為了找出材料的硬度-強(qiáng)度換算關(guān)系，許多學(xué)者通過(guò)長(zhǎng)期的實(shí)踐和探索，自20世紀(jì)30年代世界上發(fā)表第一個(gè)“強(qiáng)度-硬度換算表”以來(lái)，陸續(xù)提出了幾十種換算表。有的國(guó)家制定了強(qiáng)度-硬度換算關(guān)系的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。有的作為專門(mén)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)載入工程設(shè)計(jì)手冊(cè)。有的換算關(guān)系甚至被作為專利資料實(shí)行有償轉(zhuǎn)讓。但是直到目前為止，人們獲得的硬度-強(qiáng)度換算關(guān)系和數(shù)據(jù)都只是針對(duì)某類或某個(gè)具體材料，對(duì)各種材料都普遍適用的關(guān)系還沒(méi)有找到，這是由于人們對(duì)金屬硬度的實(shí)質(zhì)還缺少深刻的認(rèn)識(shí)，而且硬度本身是一個(gè)受許多因素影響的量值的緣故。
金屬硬度與強(qiáng)度的一般關(guān)系式為σb=K·H，即硬度與強(qiáng)度呈直線正比關(guān)系。系數(shù)K因金屬及其狀態(tài)的不同而異。一般地說(shuō)，硬度高的金屬其強(qiáng)度也高。但過(guò)去一些手冊(cè)中引用的硬度與強(qiáng)度換算公式往往過(guò)于粗略。例如對(duì)有色金屬提出的經(jīng)驗(yàn)公式σb=K·HB，K=0.35~0.56，這個(gè)K值范圍太大，公式失去了實(shí)用的意義。美國(guó)早在1955年就制定了鈹青銅合金彈簧材料的維氏硬度（HV）與抗拉強(qiáng)度（σb）的換算標(biāo)準(zhǔn)（ASTMB 194-55）。幾個(gè)先進(jìn)工業(yè)國(guó)家也制定了鋁合金硬度與強(qiáng)度換算標(biāo)準(zhǔn)。1976年，日本著名研究人員發(fā)現(xiàn)銅合金彈簧材料的維氏硬度（HV）與抗拉強(qiáng)度（σb）之間存在著簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，即HV=C1σb和HV=C2σb 。公式中C1、C2是與材料有關(guān)的常數(shù)。截至目前為止，世界上關(guān)于金屬材料的硬度與強(qiáng)度的換算關(guān)系已有多種不同的標(biāo)準(zhǔn)（其中包括國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)），這些標(biāo)準(zhǔn)雖然形式多式多樣，換算數(shù)據(jù)互有差異，常缺少系統(tǒng)、完整的資料。
現(xiàn)將一些金屬材料的硬度與強(qiáng)度換算關(guān)系式列于表1和表2。
表1 部分鋼的硬度與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系
表2 有色金屬硬度與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系
在容器上無(wú)法取樣實(shí)測(cè)σs、σb時(shí)，可在容器被測(cè)部位進(jìn)行硬度測(cè)定，根據(jù)硬度測(cè)定結(jié)果利用以下推薦公式換算σs、σb值。
用于母材：σs=3.28 HV-221
用于焊縫金屬：σs=3.15 HV-168
當(dāng)HB<175時(shí)：σb=3.55 HB
值得推薦的是，有人將幾種鋁合金的抗拉強(qiáng)度（σb）、屈服強(qiáng)度（σ0.2）與這些合金的幾種壓入式硬度值之間的關(guān)系制成了“鋁合金各種硬度與機(jī)械強(qiáng)度近似參照?qǐng)D表”，如圖3所示。該圖表中有四條曲線，其中兩條實(shí)線表示抗拉強(qiáng)度的上、下限，兩條虛線表示屈服強(qiáng)度的上、下限。圖3中縱坐標(biāo)為強(qiáng)度，橫坐標(biāo)為硬度（包括多種標(biāo)尺的洛氏硬度、維氏硬度、布氏硬度和韋氏硬度）。圖3中幾種一定狀態(tài)鋁合金所處的位置其對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)區(qū)段是硬度在大致范圍。根據(jù)此表，若已知材料的硬度，就可以查出其對(duì)應(yīng)的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。
圖3 鋁合金硬度與抗拉強(qiáng)度近似參照?qǐng)D
圖3的使用方法如下：從圖3下方找出已知硬度的位置點(diǎn)，垂直于橫坐標(biāo)從該點(diǎn)向上作與四根曲線相交的虛擬直線，交點(diǎn)所確定的強(qiáng)度范圍就是已知硬度的材料的抗拉強(qiáng)度范圍和屈服強(qiáng)度范圍。例如，對(duì)于T6狀態(tài)的60693鋁合金，若已知其硬度為HB 73或HW 13，則可由圖3查出其σb≈220~245 MPa，σ0.2≈190~215 MPa。這一結(jié)果與實(shí)測(cè)值σb=241 MPa、σ0.2=214 MPa符合得較好。
必須說(shuō)明，與所有已知的硬度—強(qiáng)度換算關(guān)系一樣，該圖表中列出幾種鋁合金，其硬度與強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系也是近似的。不過(guò)，該圖對(duì)于6061、6063等幾種廣泛的鋁合金的生產(chǎn)和研制仍有著積極的參考作用。