硬度試驗及硬度與其他性能換算的局限性(1)
一、硬度試驗的特點
現(xiàn)以壓入法硬度為例，將這些特點歸納如下：
1. 壓入硬度在測試時，其加載方式的應力狀態(tài)最軟（α>2），即最大切應力遠大于最大正應力。任何金屬材料在這種應力狀態(tài)下都會發(fā)生塑性變形，被測試樣即使很脆也不會完全破壞，因此原則上任何金屬材料均可進行壓入法硬度測試，并保證被測材料不被破壞，即硬度試驗可視為非破壞性試驗。這一點對于許多制件十分重要。
2. 在制件無法加工成其他力學性能試樣的情況下，硬度試驗就是唯一的力學性能試驗。對于一些大型制件，也可用便攜式硬度計進行硬度測試。
3. 硬度試驗可用來鑒定金屬的組織組成物或相組成物（如顯微硬度等），并可用來檢查薄片或表面層（如化學熱得下載缺件的表層，金屬鍍層或涂層等）的品質(zhì)。這是其他力學性能測試難以做到的。
4. 硬度試驗設備和操作相對簡單、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系，因此在材料生產(chǎn)、研究和選用時，可以較迅速地利用硬度測試來判斷、檢驗金屬材料及其制件的其他力學性能，以及在生產(chǎn)、研究過程中控制和優(yōu)化工藝。
正是由于硬度試驗具有這些特點，因此它在生產(chǎn)和研究中得到廣泛的應用。硬度試驗已成為材料力學性能試驗中最基本的、首先的、和必不可少的重要測試方法。
二、硬度試驗的局限性
以上談到了硬度試驗的特點及其重要性。但是，硬度試驗絕不是萬能的。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性能
對于不同材料，若其抗拉強度（σb）、屈服強度（σb或σ0.2）、伸長率（δ）、斷面收縮率（ψ）和沖擊韌性（αk）等力學性能指標相同，則有很多情況下可認為它們在種種承載條件下的力學行為相同且具有可互換性。例如在機械制造中可以用40 MnB代替40 Cr，因為二者的σb、σs、δ、ψ和Ak相同或相近（見表1）。但是，若兩個鋼制零件僅僅硬度相同，它們的其他力學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軸，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后的力學性能如圖1所示，由圖1可見二者的硬度相同，但其他力學性能區(qū)別甚大：合金元素少（淬透性低）的鋼軸，其他力學性能（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 兩種結構鋼的力學性能
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)后的力學性能（示意圖）
2. 僅硬度值不能說明缺件的整體力學性能
一些材料牌號相同的制件，其硬度值可以相同，但因熱處理工藝不同，其整體力學性能可能有較大的差異。例如45鋼，當調(diào)質(zhì)與正火獲得相同硬度值HB 200時，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)的綜合力學性能，而正火制件的強韌性（特別是沖擊韌度）要差得多。