硬度换算表及常识

根据德国标准DIN50150,以下是常用范围的钢材抗拉强度与维氏硬度、布氏硬度、洛氏硬度的对照表。

660 58.3

670 58.8

680 59.2

690 59.7

700 60.1

720 61.0

740 61.8

760 62.5

780 63.3

800 64.0

820 64.7

840 65.3

860 65.9

880 66.4

900 67.0

920 67.5

940 68.0

硬度

日常生活中，人们对材料的评价往往爱用“软”、“硬”来描述，如铅就被认为软，钢就被认为硬。实际上，“软”、“硬”与前面我们所讲的材料的强度密切相关。在工程上，为了在不破坏工件的情况下，方便地成批检验产品的质量，在对结构材料的性能评价上，还确定了“硬度”这样一个性能指标。本质上一般可以认为，硬度是指材料表面上不大的体积内抵抗变形或破裂的能力。根据不同的实验方法，硬度值的物理意义有所不同。如压入法的硬度值是材料表面抵抗另一物体压入时所引起的塑性变形抗力；刻划法硬度值表示材料表面局部破裂的能力。在生产上使用最广泛的是静负荷压入法试验，根据压头形状、材料及加载大小的不同，硬度可有布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度，它们适用于不同的材料。各种硬度的压头形状、材料、载荷、运用范围等见表3-1。

实践证明材料的强度越高，硬度值也越高。材料的各硬度值之间、硬度和强度之间有近似的对应关系。我们简单介绍一些，对大家今后检验材料也许是有用的。

非淬火钢σb=0.362HB HB>175

σb=0.345HB HB<175

碳钢σb=51.32×104/(100-HRC)2HRC<10

铸钢σb=(0.3-0.4)HB

σb=8.61×103/(100-HRC) HRC>40

上述式中σb的单位为kg/mm2

断裂韧性

机械零件的脆性断裂和材料的脆性检测是工程技术中必须解决的一个重要问题。在工程设计中，是用屈服强度σ0.2并考虑一定的安全系数来确定结构材料的许用应力[σ]的，即[σ]≤σ0.2/n，n>1，n就是安全系数。按图3-2，机械零件在[σ]下工作不仅不会发生塑性变形，更不会断裂，然而事实并非如此。大量事例的实验分析表明，低应力脆断总是由材料中缺陷引发的裂纹扩展引起的。这些缺陷可能是在材料制备过程中产生的，也可能是在加工过程中产生的，还可能是在使用中形成的，因而是难以避免的。这就是说，在实际应用中，材料在承受载荷后，还可能导致已有微裂纹的扩展，当裂纹尺寸到达某个临界值时突然断裂。这个引起破坏的临界裂纹长度和相对应的应力大小对于不同材料是不同的。二十世纪六十年代发展的断裂力学对此给出了规律性的解释。其中最重要的是应力强度因子的概念。这个应力强度因子表示了裂纹在外界名义应力作用下，处于弹性平衡状态时，裂纹尖端附近应力场的强弱，也就是说，应力强度因子确定了裂纹尖端附近各点的应力大小。对于含有裂纹的机械另件，在外力作用下裂纹扩展有三种类型：张开型、滑移型和剪切型（图3-4），对于这三种不同类型的裂纹扩展，其应力强度因子不同，分别用KⅠ、KⅡ、KⅢ表示，其中张开型裂纹扩展是最常见、最危险的情况，我们重点介绍这种类型。

图3-4

断裂力学的分析计算表明，,式中Ｙ是裂纹的形状因子，表示不同几何形状的裂纹尖端前的应力分布是不同的，σ是外界施加的名义应力，a是裂纹长度。从KⅠ的表达式中可以看出，当名义应力确定时，随着裂纹a的增加KⅠ也增加，我们把裂纹扩展至产生突然断裂的裂纹长度叫作临界值裂纹长度a c，与这个临界裂纹长度a c对应的临界应力强度因子就叫做断裂韧性，记作K IC，它是一个材料常数，既对于某种特定的材料，在一定条件下它有确定的值。另外，我们还可以发现，如果要使材料能承受高的名义应力，则材料内的微裂纹尺寸就必须尽可能短。在此特别要注意应力强度因子和断裂韧性是二个完全不同的概念，一定要把他们分清楚。

现在，重要的机件，特别是航空航天所用机件设计，其强度指标除考虑屈服强度外都必须根据断裂韧性进行进一步的核准，明确所允许的临界裂纹尺寸。