钢管知识---硬度和强度换算的问题

　　硬度和强度换算的问题

　　1. 定义

　　1.1 强度：金属材料在力的作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。

　　工程上的判断依据：屈服点和抗拉强度。

　　屈服点：拉伸试样产生屈服现象时的应力。

　　抗拉强度：金属材料在拉断前所承受的最大应力。

　　1.2 硬度：金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕的能力。

　　硬度是衡量金属软硬的依据。直接影响材料的耐磨性以及切削加工性---刀具，量具。

　　2. 区别

　　2.1 强度是衡量零件本身承载能力(即抵抗失效能力)的重要指标。

　　强度是机械零部件首先应满足的基本要求。机械零件的强度一般可以分为静强度、疲劳强度(弯曲疲劳和接触疲劳等)、断裂强度、冲击强度、高温和低温强度、在腐蚀条件下的强度和蠕变、胶合强度等项目。强度的试验研究是综合性的研究，主要是通过其应力状态来研究零部件的受力状况以及预测破坏失效的条件和时机。

　　2.2 硬度是衡量金属材料软硬程度的一项重要的性能指标，它既可理解为是材料抵抗弹性变形、塑性变形或破坏的能力，也可表述为材料抵抗残余变形和反破坏的能力。

　　硬度不是一个简单的物理概念，而是材料弹性、塑性、强度和韧性等力学性能的综合指标。硬度试验根据其测试方法的不同可分为静压法(如布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等)、划痕法(如莫氏硬度)、回跳法(如肖氏硬度)及显微硬度、高温硬度等多种方法。

　　3、联系

　　3.1 强度和硬度值经过人们大量的试验发现，存在着一定的相关性。

　　3.1.1 压入式硬度试验方法测得的硬度表征材料抵抗塑性变形的抗力，所以它与材料的强度有一定的对应关系，材料的强度越高，塑性变形抗力越高，硬度值也就越高。

　　3.1.2 强度的测量往往是破坏性的，需要拉伸设备。而硬度的测试是比较方便，快捷，不破坏工件的。由于测量硬度比测量强度要简单得多，故在实际工程中，往往用测量硬度来判断强度，并在零件图纸技术条件上注明硬度要求。

　　3.1.3 因此人们希望通过测试硬度来估计材料的强度。目前国内已经推出了有色金属和黑色金属的强度和硬度的换算关系(详细换算可以参考 GB/T 1172-1999)。

　　3.2 实际上由于材料的成分，加工工艺，微观组织的均匀程度等问题，预测值还是存在着一定的误差，两者之间的关系不是简单的线性关系。因此，若不考虑材料类别和处理状态等因素要想建立抗拉强度和硬度换算的相关关系是不可能的，已有的硬度-抗拉强度的换算标准给出的换算值都只是近似值。

　　4、应用

　　以45#钢的力学性能举例：

　　4.1 GB/T 699-1999中规定的45#钢的力学性能如下图：

　　牌号力学性能交货状态硬度(HB)

　　抗拉强度屈服强度未热处理退火

　　不小于不大于

　　45600355229197

　　4.2 GB/T 17107-1997(锻件用碳素结构钢)中规定的45#钢的力学性能如下图：

　　牌号热处理状态截面尺寸方向力学性能硬度

　　抗拉强度屈服强度

　　不小于不小于

　　45正火或正火+回火《100纵向590295170-217

　　100-300570285163-217

　　300-500550275163-217

　　500-1000530265156-217

　　45调质《100纵向630370207-302

　　100-250590345197-286

　　250-500590345187-255

　　4.3 从GB/T 699-1999知45#钢的抗拉强度为600MPa，屈服强度355MPa，这是材料本身的力学性能，交货时：

　　A、 如果不做热处理，材料硬度是229 HBS，根据GB/T 1172-1999可查知，该硬度相当于21 HRC，换算成抗拉强度是793MPa，此时的材料硬度过高，相应强度也会高于600MPa，但是如果不做后续热处理，切削性能非常差。

　　B、 出厂前做退火处理后，硬度降为197 HBS，此时换算成的强度为686MPa，至于为什么做退火处理，《工程材料》P75页提到：退火是钢加热到适当的温度，经过一定时间保温后缓慢冷却，以达到改善组织、提高加工性能的一种热处理工艺。其目的是减轻钢的化学成分及组织的不均匀性，细化晶粒，降低硬度，消除内应力，以及为淬火做好组织准备。

　　C、 从上面两条可以看出，出厂前退火的45#钢，切削加工性能要比不做热处理的好，如果我们在设计零件时，计算强度<600MPa，就可以选用GB/T 699-1999中的45#钢，出厂要求退火就可以了，还能保证良好的切削加工性。

　　D、 45#钢淬火后的硬度最高可以达到56-59 HRC，此时的硬度和强度都很高，但脆性也高，一般之后都会做回火处理。

　　4.4 如果我们在设计时设计强度在800-1000MPa，同时要求良好的综合力学性能，而我们又考虑到使用更高级别的材料所带来的成本及购买问题，那我们可以选用GB/T 17107-1997(锻件用碳素结构钢)中的45#钢进行调质等热处理，来提高零件的强度。

　　A、 从GB/T 17107-1997(锻件用碳素结构钢)中可以看出，45#钢截面在100-250mm之间进行调质处理，硬度在197-286 HB的范围内，换算成的强度为686-1002MPa，故如果我们的设计截面在此范围内，45#钢调制后可以满足我们的设计强度。

　　B、 45#钢调质件淬火后的硬度应该达到HRC56-59，截面大的可能性低些，但不能低于HRC48，不然，就说明工件未得到完全淬火，组织中可能出现索氏体甚至铁素体组织，这种组织通过回火，仍然保留在基体中，达不到调质的目的。45#钢淬火后的高温回火，加热温度通常为560-600℃，硬度可以达到22-32 HRC，因为调质的目的是得到综合机械性能，所以硬度范围比较宽，而这个范围是符合从GB/T 17107-1997(锻件用碳素结构钢)规定的。

　　C、 图纸有硬度要求的，就要按图纸要求调整回火温度，以保证硬度。如有些轴类零件要求强度高，硬度要求就高;而有些齿轮、带键槽的轴类零件，因调质后还要进行铣、插加工，硬度要求就低些，此处说的是芯部硬度，也就是零件的整体硬度(相当于整体强度)。比如齿轮，我们在要求芯部硬度满足设计强度要求的情况下，还要有加工后齿面硬度要求，就需要对其进行表面高、中、低频淬火了，淬火频率根据硬度层的厚度来决定，也可以选择渗碳、渗氮等处理，来提高表面硬度。

　　5 总结

　　5.1 硬度-抗拉强度的换算有一定关系，但两者之间的关系不是简单的线性关系。因此，已有的硬度-抗拉强度的换算标准给出的换算值都只是近似值。

　　5.2 我们在设计选取材料时，要充分考虑材料的成本、加工性、购买限制以及低性能材料所带来的零件尺寸增加等问题，如果对零件材料有热处理要求，图纸要标明热处理后的硬度要求(即强度要求)，以及需要的表面硬度要求。若对材料热处理后的强度有严格要求，那么就要标注强度要求，此时，厂家就只能破坏抽检零件，取样进行力学试验来测量是否满足图纸的强度要求了。