硬度試驗(yàn)及硬度與其他性能換算的局限性(1)
一、硬度試驗(yàn)的特點(diǎn)
現(xiàn)以壓入法硬度為例，將這些特點(diǎn)歸納如下：
1. 壓入硬度在測(cè)試時(shí)，其加載方式的應(yīng)力狀態(tài)最軟（α>2），即最大切應(yīng)力遠(yuǎn)大于最大正應(yīng)力。任何金屬材料在這種應(yīng)力狀態(tài)下都會(huì)發(fā)生塑性變形，被測(cè)試樣即使很脆也不會(huì)完全破壞，因此原則上任何金屬材料均可進(jìn)行壓入法硬度測(cè)試，并保證被測(cè)材料不被破壞，即硬度試驗(yàn)可視為非破壞性試驗(yàn)。這一點(diǎn)對(duì)于許多制件十分重要。
2. 在制件無(wú)法加工成其他力學(xué)性能試樣的情況下，硬度試驗(yàn)就是唯一的力學(xué)性能試驗(yàn)。對(duì)于一些大型制件，也可用便攜式硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)試。
3. 硬度試驗(yàn)可用來(lái)鑒定金屬的組織組成物或相組成物（如顯微硬度等），并可用來(lái)檢查薄片或表面層（如化學(xué)熱得下載缺件的表層，金屬鍍層或涂層等）的品質(zhì)。這是其他力學(xué)性能測(cè)試難以做到的。
4. 硬度試驗(yàn)設(shè)備和操作相對(duì)簡(jiǎn)單、方便和易于掌握。
5. 特別有用的是，正如本章所述，硬度與其他性能之間存在著一定的關(guān)系，因此在材料生產(chǎn)、研究和選用時(shí)，可以較迅速地利用硬度測(cè)試來(lái)判斷、檢驗(yàn)金屬材料及其制件的其他力學(xué)性能，以及在生產(chǎn)、研究過(guò)程中控制和優(yōu)化工藝。
正是由于硬度試驗(yàn)具有這些特點(diǎn)，因此它在生產(chǎn)和研究中得到廣泛的應(yīng)用。硬度試驗(yàn)已成為材料力學(xué)性能試驗(yàn)中最基本的、首先的、和必不可少的重要測(cè)試方法。
二、硬度試驗(yàn)的局限性
以上談到了硬度試驗(yàn)的特點(diǎn)及其重要性。但是，硬度試驗(yàn)絕不是萬(wàn)能的。由于硬度僅反映材料表層局部小體積內(nèi)的變形抗力和破裂力，因此它在使用時(shí)也有一定的局限性。
1. 僅用硬度值不能反映不同材料的力學(xué)性能
對(duì)于不同材料，若其抗拉強(qiáng)度（σb）、屈服強(qiáng)度（σb或σ0.2）、伸長(zhǎng)率（δ）、斷面收縮率（ψ）和沖擊韌性（αk）等力學(xué)性能指標(biāo)相同，則有很多情況下可認(rèn)為它們?cè)诜N種承載條件下的力學(xué)行為相同且具有可互換性。例如在機(jī)械制造中可以用40 MnB代替40 Cr，因?yàn)槎叩摩?/span>b、σs、δ、ψ和Ak相同或相近（見(jiàn)表1）。但是，若兩個(gè)鋼制零件僅僅硬度相同，它們的其他力學(xué)性能可能有很大的差異。例如含碳量相同，但合金元素含最早不同的兩種鋼制成的兩個(gè)軸，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后的力學(xué)性能如圖1所示，由圖1可見(jiàn)二者的硬度相同，但其他力學(xué)性能區(qū)別甚大：合金元素少（淬透性低）的鋼軸，其他力學(xué)性能（特別是沖擊韌性）比合金元素較多（淬透性高）的鋼軸低得多。
表1 兩種結(jié)構(gòu)鋼的力學(xué)性能
材料 | σb/MPa | σs/MPa | δ5/% | Ψ/% | αk/kJ?m-2 | HB壓痕①/mm |
40 Cr 40 MnB | ≥1000 1000 | 800 800 | 9 10 | 45 45 | 588.3 588.3 | 4.2 4.2 |
注：①退火或淬火高溫回火后的布氏硬度壓痕
圖1 合金元素含量不同、碳含量相同的兩種鋼軸經(jīng)調(diào)質(zhì)后的力學(xué)性能（示意圖）
2. 僅硬度值不能說(shuō)明缺件的整體力學(xué)性能
一些材料牌號(hào)相同的制件，其硬度值可以相同，但因熱處理工藝不同，其整體力學(xué)性能可能有較大的差異。例如45鋼，當(dāng)調(diào)質(zhì)與正火獲得相同硬度值HB 200時(shí)，調(diào)質(zhì)態(tài)的σb=620 MPa，而正火態(tài)的σb只有540 MPa；調(diào)質(zhì)態(tài)制件具有強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性、韌性的良好配合，即具有較優(yōu)的綜合力學(xué)性能，而正火制件的強(qiáng)韌性（特別是沖擊韌度）要差得多。