硬度與強(qiáng)度換算關(guān)系的建立
為了找出材料的硬度與強(qiáng)度換算關(guān)系，許多學(xué)者通過長期的實(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)度與硬度換算表”以來，陸續(xù)提出了幾十種換算表。有的國家制定了強(qiáng)度與硬度換算關(guān)系的國家標(biāo)準(zhǔn)。有的作為專門技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)載入工程設(shè)計(jì)手冊。有的換算關(guān)系甚至被作為專利資料實(shí)行有償轉(zhuǎn)讓。但是直至目前為止，人們獲得的硬度與強(qiáng)度換算關(guān)系和數(shù)據(jù)都只是針對某類或某個(gè)具體材料，對各種材料都普遍適用的關(guān)系還沒有找到，這是由于人們對金屬硬度的實(shí)質(zhì)還缺少深刻的認(rèn)識，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，硬度高的金屬其強(qiáng)度也高。但過去一些手冊中引用的硬度與強(qiáng)度換算公式往往過于粗略。例如對有色金屬提出的經(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)用意義。美國早在1955年就制定了鈹青銅維氏硬度(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)國家也制定了鋁合金硬度與強(qiáng)度換箅標(biāo)準(zhǔn)。1976年，日本著名研究人員今井秀孝等人發(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)系式列于下表。
部分鋼的硬度與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系
有色金屬硬度與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系(關(guān)系式σb=K·HB／MPa）
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材料 |
K值 |
材料 |
K值 |
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鋁 鉛 錫 銅 單相黃銅 H62 |
2.7 2.9 2.9 5.5 3.5 4.3~4.6 |
鋁黃銅 鑄鋁ZL 13 鑄鋁ZL 11 硬鋁 鋅合金鑄件 |
4.8 2.12 2.66 3.6 0.9 |
在容器上無法取樣實(shí)測σs、σb時(shí)，可在容器被測部位進(jìn)行硬度測定，根據(jù)硬度測定結(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)度近似參照圖表”，如圖所示。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)。圖中幾種一定狀態(tài)鋁合金所處的位置，其對應(yīng)的橫坐標(biāo)區(qū)段是硬度的大致范圍。根據(jù)此圖表，若已知材料的硬度，就可以查山其對應(yīng)的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。
鋁合金硬度與抗拉強(qiáng)度近似參照圖
上圖的使用方法如下：從圖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，對于T 6狀態(tài)的6063鋁合金，若已知其硬度為HB 73，或HW 13，則可由圖查出其σb≈220～245MPa，σ0.2≈190～215 MPa。這一結(jié)果與實(shí)測值σb=24l MPa、σ0.2=214 MPa符合得較好。
必須說明，與所有已知的硬度-強(qiáng)度換算關(guān)系一樣，該圖表中列出的幾種鋁合金，其硬度與強(qiáng)度的對應(yīng)關(guān)系也是近似的。不過，該圖對于6061、6063等幾種廣泛使用的鋁合金的生產(chǎn)和研制仍有著積極的參考作用。
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