蔡文河１,李煒麗１,董樹(shù)青１,杜雙明１,王智春２

[１．中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司火力發(fā)電技術(shù)研究院,北京 １０００４０;２．華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司(國(guó)網(wǎng)冀北電力公司電力科學(xué)研究院),北京 １０００４５]

摘 要:基于火力發(fā)電廠高溫管道用材 T/P９１鋼和 T/P９２鋼里氏硬度與布氏硬度換算數(shù)據(jù),并根據(jù)兩種硬度的物理意義以及材料力學(xué)性能特點(diǎn),構(gòu)建了簡(jiǎn)化的應(yīng)力Ｇ應(yīng)變模型,分析了 T/P９１鋼和 T/P９２鋼在里氏硬度與布氏硬度換算過(guò)程中存在的差異,并應(yīng)用物理學(xué)對(duì)該差異性進(jìn)行了解釋.同時(shí)指出里氏硬度既受試驗(yàn)條件的限定,又受材料物理、力學(xué)性能的影響,不同材料的里氏硬度與布氏硬度換算應(yīng)以試驗(yàn)為基礎(chǔ),是大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析的結(jié)果,數(shù)據(jù)積累越多換算結(jié)果就越準(zhǔn)確.

關(guān)鍵詞:T/P９１鋼;T/P９２鋼;里氏硬度;布氏硬度;硬度換算;物理學(xué)解釋;大數(shù)據(jù);動(dòng)態(tài)法

中圖分類號(hào):TG１１５．５＋１ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１８)１０Ｇ０７２６Ｇ０７

T/P９１和 T/P９２鋼同屬鐵素體型耐熱鋼,是超(超)臨界發(fā)電機(jī)組高溫承壓部件(如主蒸汽管道、高溫集箱、過(guò)熱器、再熱器等)的主要使用材料.隨著我國(guó)電力事業(yè)的迅猛發(fā)展以及機(jī)組容量、參數(shù)的逐漸增大,大量的 T/P９１ 和 T/P９２ 鋼也隨之廣泛地應(yīng)用于電力設(shè)備之中,對(duì)其進(jìn)行檢測(cè),獲得準(zhǔn)確的檢測(cè)數(shù)據(jù),無(wú)疑是保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的重中之重.

眾所周知,針對(duì)在役機(jī)組,衡量其是否安全,首要方法就是采用非破壞性方法對(duì)其進(jìn)行檢測(cè),例如硬度檢測(cè)、無(wú)損檢測(cè)以及現(xiàn)場(chǎng)金相復(fù)膜技術(shù)等.硬度因其與強(qiáng)度之間存在一定的正比關(guān)系,常被用來(lái)衡量設(shè)備性能的優(yōu)劣.現(xiàn)場(chǎng)硬度的檢測(cè)普遍選用便攜式里氏硬度計(jì),便攜式里氏硬度計(jì)因具有體積小、重量輕、測(cè)試簡(jiǎn)單、攜帶方便、檢測(cè)效率高、對(duì)試驗(yàn)表面損傷輕微等優(yōu)點(diǎn)[１],而在在役設(shè)備的檢測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用.雖然便攜式里氏硬度計(jì)在在役機(jī)組中應(yīng)用廣泛,但是目前 尚 沒(méi) 有 標(biāo) 準(zhǔn) 是 采 用 里 氏 硬 度 值 作 為判定依據(jù) 的.一 般 情 況 下,均 是 將 里 氏 硬 度 值 換算為布氏硬 度 值 來(lái) 進(jìn) 行 判 定 的,那 么 能 否 準(zhǔn) 確 地在兩種硬度值之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換就顯得十分重要.現(xiàn)在里氏硬度與布氏硬度之間的轉(zhuǎn)換是 依 據(jù) GB/T１７３９４．４－２０１４«金 屬 材 料 里 氏 硬 度 試 驗(yàn) 第 ４ 部分:硬度值 換 算 表»中 的 表 １ 獲 得 的,然 而 表 １ 所適用 的 測(cè) 試 對(duì) 象 為 “碳 鋼、低 合 金 鋼 和 鑄 鋼 ”,T/P９１和T/P９２鋼的合金元素含 量 高 于 １０％(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),屬于高合金鋼,不在標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍內(nèi),若按表１進(jìn)行換算,勢(shì)必會(huì)造成偏差,不能反映所測(cè)部 件 的 真 實(shí) 硬 度 情 況. 因 此 對(duì) 于 T/P９１ 和T/P９２鋼必須進(jìn) 行 對(duì) 比 試 驗(yàn),找 出 與 其 相 符 合 的里氏硬度與 布 氏 硬 度 換 算 關(guān) 系,以 填 補(bǔ) 高 合 金 鋼里氏硬度測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的空白.

盡管 GB/T１７３９４．１－２０１４«金屬材料 里氏硬度試驗(yàn) 第１部分:試驗(yàn)方法»中未曾提到有關(guān)對(duì)比試驗(yàn)的要求,但 GB/T１７３９４－１９９８«金屬里氏硬度試驗(yàn)方法»對(duì)對(duì)比試驗(yàn)有明確要求:“對(duì)于特定材料,欲將里氏硬度值較準(zhǔn)確地?fù)Q算為其他硬度值,必須進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)以得到相應(yīng)的換算關(guān)系.”具體試驗(yàn)方法是:用檢定合格的里氏硬度計(jì)和布氏硬度計(jì)分別在同一試樣上進(jìn)行試驗(yàn),試樣處理應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)要求,首先在同一試樣上測(cè)定３點(diǎn)以上布氏硬度值,然后在每個(gè)壓痕周圍均勻分布地各測(cè)至少５點(diǎn)里氏硬度值,用里氏硬度平均值和相應(yīng)布氏硬度平均值作為對(duì)應(yīng)值,作出硬度對(duì)比曲線,對(duì)比曲線至少應(yīng)包含

３組對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù).

經(jīng)過(guò)對(duì)比試驗(yàn)獲得了 T/P９１和 T/P９２鋼的里氏硬度與布氏硬度換算關(guān)系,由于 T/P９１和 T/P９２鋼鉻含量相當(dāng),很多技術(shù)人員認(rèn)為,二者的里氏硬度與布氏硬度換算關(guān)系不應(yīng)存在較大差異,然而試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)二者的硬度換算關(guān)系確實(shí)存在一定的差異性。

１ 里氏硬度與布氏硬度測(cè)試

１．１ 硬度的物理意義

關(guān)于硬度,很難有一個(gè)包括所有試驗(yàn)方法在內(nèi)的統(tǒng)一而明確的定義,各文獻(xiàn)資料給出的解釋也不盡相同,即使不同的標(biāo)準(zhǔn)版本中對(duì)硬度的定義也是不完全一致的.以下列舉了硬度在標(biāo)準(zhǔn)、教材、辭海以及百度中給出的定義.定義硬度的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)為JJF１０１１－２００６«力值與硬度計(jì)量術(shù)語(yǔ)及定義»,該標(biāo)準(zhǔn)將硬度定義為“材料抵抗彈性變形、塑性變形、劃痕或破裂等一種或多種作用的能力”.而在該標(biāo)準(zhǔn)上一版本JJF１０１１－１９８７中,給出的硬度定義為“硬度是材料抵抗彈性

變形、塑性變形或破壞等一種或多種情況同時(shí)發(fā)生的能力”.在«金屬硬度檢測(cè)技術(shù)手冊(cè)»(第２版)一書(shū)中,對(duì)硬度的定義有兩種說(shuō)法:一種認(rèn)為硬度是“材料對(duì)壓入塑性變形、劃痕、磨損或切削等的抗力”;另一種說(shuō)法從壓入法角度,認(rèn)為硬度是“材料在一定條件下抵抗另一本身不發(fā)生殘余變形物體壓入的能力”[２].而在辭海中將硬度定義為:“材料抵抗其他物體刻劃或壓入其表面的能力”.百度作為強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)搜索引擎,現(xiàn)在已被人們用作了解事物、獲取知識(shí)的常用工具之一,在百度中將“材 料 局 部 抵 抗 硬 物 壓 入 其 表 面 的 能 力”稱 為硬度.關(guān)于硬度的定義說(shuō)法不一,嚴(yán)重影響專業(yè)工作者對(duì)其含義的認(rèn)識(shí)與理解,有的甚至直接通過(guò)百度搜索,就以為獲得了正確的解釋.對(duì)比分析上述關(guān)于硬度的定義,不難看出,百度、辭海以及教材中關(guān)于硬度定義的表述并不完整,只是給出了部分的硬度定義.相比較而言,JJF１０１１－２００６中給出的硬度定義表述比JJF１０１１－１９８７中的更具體一些,也較教材等其他資料上的介紹相對(duì)更寬泛、更概括,既提出了硬度是抵抗彈性變形、塑性變形、劃痕或破裂等的能力,又指出硬度抵抗的可能是這其中的一種或者多種作用。

關(guān)于硬度定義,之所以存在上述多種說(shuō)法,是因?yàn)橛捕缺旧聿⒉皇且粋€(gè)簡(jiǎn)單的物理量,它不僅取決于被檢測(cè)材料本身的組織、性能等特點(diǎn),也取決于硬度試驗(yàn)方法的選擇、試樣的技術(shù)條件(如質(zhì)量、厚度、表面粗糙度、表面光潔度、表面硬化層處理、環(huán)境溫度等)以及試驗(yàn)的操作等.綜合起來(lái)可以認(rèn)為,硬度代表的是在一定試驗(yàn)方法、一定壓頭(沖擊頭)和試驗(yàn)力的作用下所反映出的彈性、塑性、強(qiáng)度、韌性、耐磨性以及抗摩擦性等一系列物理的、力學(xué)的綜合性能指標(biāo),這也決定了沒(méi)有哪一種硬度試驗(yàn)方法可以準(zhǔn)確、全面地實(shí)現(xiàn)定義的全部要求,也決定了影響硬度的因素較多,硬度既受試驗(yàn)方法、試驗(yàn)條件的限定,又受材料物理性能、力學(xué)性能的影響.硬度具有獨(dú)特的計(jì)量特點(diǎn):它沒(méi)有量綱也沒(méi)有量綱式;各種硬度試驗(yàn)方法獲得的硬度也沒(méi)有統(tǒng)一的計(jì)量單位;即使計(jì)量單位的表現(xiàn)相同,也會(huì)因其實(shí)際意義不同而無(wú)法用數(shù)學(xué)式比較,例如４００HLD≠４００HLG,２００ HB≠２００ HV,５０ HR≠５０ HL 等.正是因?yàn)檫@些特點(diǎn)的存在,使得各種硬度試驗(yàn)方法所獲得的硬度之間存在試驗(yàn)換算的必要,里氏硬度與布氏硬度之間的轉(zhuǎn)換是目前最常見(jiàn)的硬度換算方式之一。

GB/T１７３９４－１９９８在編制說(shuō)明中認(rèn)為:“通常彈性模量差大于２０％時(shí)需要分類,但各種類型的鋼之間彈性模量相差一般小于上述范圍”.碳鋼、低合金鋼和鑄鋼的彈性模量大約為２１０GPa,屈服強(qiáng)度也大致相當(dāng),因此在 GB/T１７３９４．４－２０１４中規(guī)定碳鋼、低 合 金 鋼 和 鑄 鋼 使 用 同 一 硬 度 值 換 算 表。

T/P９１和 T/P９２鋼材料等級(jí)高于碳鋼、低合金鋼和鑄鋼,僅對(duì)比屈服強(qiáng)度,已遠(yuǎn)高于碳鋼、低合金鋼和鑄鋼的,因此 T/P９１和 T/P９２鋼不能與碳鋼、低合金鋼 和 鑄 鋼 使 用 同 一 硬 度 值 換 算 表.T/P９１ 和T/P９２鋼的屈服強(qiáng)度和彈性模量均存在一定差別,這也是 T/P９１和 T/P９２鋼存在里氏硬度與布氏硬度換算差異的原因。

１．２ 靜態(tài)法測(cè)試與動(dòng)態(tài)法測(cè)試的區(qū)別

硬度物理意義的多樣化,決定了多種硬度試驗(yàn)方法的存在,硬度試驗(yàn)方法不同,硬度值的物理含義也不相同.按試驗(yàn)力的性質(zhì)可將硬度試驗(yàn)方法分為靜態(tài)試驗(yàn)法和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)法.靜態(tài)試驗(yàn)法是緩慢地施加試驗(yàn)力,全部負(fù)荷加滿后保持一定時(shí)間,卸載試驗(yàn)力,然后用壓痕的塑性變形尺寸來(lái)計(jì)量硬度值的方法.動(dòng)態(tài)試驗(yàn)法是迅速施加、迅速卸載負(fù)荷后利用材料中的彈性和塑性變形能的變化來(lái)計(jì)量硬度值的方法.靜態(tài)法和動(dòng)態(tài)法的區(qū)別在于:靜態(tài)法的試驗(yàn)力形式為正壓力,其施加是緩慢而無(wú)沖擊的,硬度的測(cè)定主要取決于被測(cè)試樣表面壓痕的尺寸,體現(xiàn)了被測(cè)試樣抵抗塑性變形的能力,如布氏、洛氏、維氏硬度試驗(yàn)等;動(dòng)態(tài)法的試驗(yàn)力是動(dòng)態(tài)且有沖擊的,其形式為沖擊壓頭的動(dòng)能,體現(xiàn)了動(dòng)能和勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化的物理學(xué)原理,硬度的大小主要取決于被測(cè)試樣抵抗彈性和塑性變形的能力,如里氏、肖氏硬度試驗(yàn)等。

１．３ 里氏硬度與布氏硬度的物理意義

不同的硬度試驗(yàn)方法,所表達(dá)的物理意義不同,偏重體現(xiàn)的材料特性也不盡相同.

(１)里氏硬度

里氏硬度試驗(yàn)屬于動(dòng)態(tài)試驗(yàn)法,是用規(guī)定質(zhì)量的沖擊體在彈簧的彈力作用下以一定速度垂直沖擊試樣表面,以沖擊體在距試樣表面１mm 處的回彈速度與沖擊速度的比值來(lái)表示材料的里氏硬度,如下式所示：

式中:HL 為 里 氏 硬 度;vR 為 沖 擊 體 回 彈 速 度,m??s－１;vA 為沖擊體沖擊速度,m??s－１.從能量角度分析,里氏硬度的試驗(yàn)原理為:將一個(gè)保持恒定能量 WA 的沖擊體彈射到靜止的試樣上,使試樣產(chǎn)生彈性和塑性變形,塑性變形部分吸收了沖擊體的一部分沖擊動(dòng)能 W H ,彈性變形部分則儲(chǔ)存了殘余的沖擊動(dòng)能,進(jìn)而轉(zhuǎn)化為彈性勢(shì)能 WR.當(dāng)沖擊速度為零時(shí),壓痕中的彈性變形開(kāi)始恢復(fù),并推動(dòng)沖擊體回彈,至彈性變形完全恢復(fù)后,沖擊體又獲得了相當(dāng)于WR 的動(dòng)能及相應(yīng)的回彈速度vR,使沖擊體回彈[３].根據(jù)能量守恒定律,WA ＝W H ＋WR,W H 越小,則WR 越大,相應(yīng)地vR 就越大,那么試樣的里氏硬度值也就越大(一般認(rèn)為vA 是定量).在測(cè)定里氏硬度時(shí),沖擊體的回彈速度反映了彈性勢(shì)能的大小,而沖擊速度則與總的沖擊動(dòng)能有關(guān),因此里氏硬度值的大小其實(shí)取決于試樣壓痕中彈性變形能在全部變形能量中所占的比例,而里氏硬度反映了被測(cè)試樣抵抗彈性和塑性變形的能力.

(２)布氏硬度

布氏硬度試驗(yàn)屬于靜態(tài)試驗(yàn)法,其原理是對(duì)一定直徑的碳化鎢復(fù)合物球施加試驗(yàn)力壓入試樣表面,經(jīng)規(guī)定保持時(shí)間后,卸除試驗(yàn)力,測(cè)量試樣表面壓痕的直徑,而布氏硬度值與試驗(yàn)力除以壓痕表面積的商成正比.壓痕被看作是具有一定半徑的球

形,壓痕的表面積通過(guò)壓痕的平均直徑和壓頭直徑計(jì)算得到,如下式所示

式中:HB 表示布氏硬度;d 表示壓痕的平均直徑,mm;D 表示硬質(zhì)合金球直徑,mm;F 表示試驗(yàn)力,N.布氏硬度反映了被測(cè)材料表面抵抗一定壓頭在一定試驗(yàn)力下所引起的塑性變形的能力,其計(jì)量單位表現(xiàn)為單位壓痕面積上的壓力,即 N??mm－２.里氏硬度和布氏硬度分別屬于不同的試驗(yàn)方法,其原理各不相同,所表達(dá)的物理意義也不同,它們之間沒(méi)有一致的計(jì)量單位,更無(wú)法用數(shù)學(xué)函數(shù)式進(jìn)行計(jì)算或比較,但是為了滿足實(shí)際生產(chǎn)需要,二者之間的換算不可避免.原理不同、物理意義不同的兩種硬度之間進(jìn)行換算,必然存在偏差與誤差.偏差與誤差的認(rèn)識(shí)及處理,無(wú)疑是解決不同材料的里氏硬度與布氏硬度換算之間差異的主要途徑,這也是開(kāi)展對(duì) DL/TXXX－XXXX«電力設(shè)備高合金鋼里氏硬度測(cè)試方法»編制的初衷.

２ T/P９１和 T/P９２鋼里氏硬度與布氏硬度的換算分別取不同硬度范圍內(nèi)的 T/P９１和 T/P９２鋼硬度試樣 進(jìn) 行 硬 度 對(duì) 比 試 驗(yàn),試 樣 制 備 分 別 符 合GB/T１７３９４．１－２０１４和 GB/T２３１．１－２００９«金屬材料 布氏硬度試驗(yàn) 第１部分:試驗(yàn)方法»要求.試驗(yàn)方法分別執(zhí)行 GB/T２３１．１－２００２«金屬布氏硬度試驗(yàn) 第１部分:試驗(yàn)方法»和 GB/T１７３９４－１９９８.具體操作是,采用布氏硬度計(jì)在試樣上測(cè)試３個(gè)試驗(yàn)點(diǎn),取其平均值,然后在每一個(gè)布氏硬度壓痕周圍均勻分布地至少測(cè)定５點(diǎn)有效里氏硬度值,用里氏硬度平均值和相應(yīng)布氏硬度平均值分別作為對(duì)應(yīng)值,作出硬度對(duì)比曲線,獲得 T/P９１和 T/P９２鋼的里氏硬度與布氏硬度相應(yīng)換算關(guān)系,分別如表１和表２所示.

對(duì)比表１和表２中數(shù)據(jù),可見(jiàn) T/P９１和 T/P９２鋼的里氏硬度與布氏硬度換算關(guān)系存在較大的差異,相同的里氏硬度對(duì)應(yīng)的布氏硬度存在明顯的差別,例如當(dāng)里氏硬度為４００ HLD,對(duì)于 T/P９１鋼換算的布氏硬度為１４０HBHLD,而對(duì)于 T/P９２鋼換算的布氏硬度則為１７０HBHLD.眾所周知,硬度試驗(yàn)過(guò)程中,儀器的準(zhǔn)確性、試樣的尺寸、試樣的表面狀況、試樣的耦合以及試驗(yàn)操作的正確性等均可造成硬度數(shù)值的誤差,但是上述T/P９１和 T/P９２鋼的硬度換算關(guān)系,是基于對(duì)試驗(yàn)操作程序嚴(yán)格把控的基礎(chǔ)上獲得的,在試驗(yàn)中已經(jīng)避免了相關(guān)因素(包括儀器、試樣狀況、操作、環(huán)境等)的影響,然而二者的里氏硬度與布氏硬度換算關(guān)系依然存在一定的差異.

這個(gè)差異超出了以往對(duì)里氏硬度與布氏硬度換算的認(rèn)知,«GB/T１７３９４－１９９８金屬里氏硬度試驗(yàn)方法國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)編制說(shuō)明»中提到,彈性模量對(duì)金屬材料里氏硬度試驗(yàn)結(jié)果影響較大,必須根據(jù)彈性模量對(duì)金屬材料進(jìn)行分類,通常情況下彈性模量差大于２０％時(shí)需要進(jìn)行分類.

按此理論,那些室溫下彈性模量相同或者相互之差不大于２０％的材料,就可以按照同一個(gè)換算表進(jìn)行換算.然而事實(shí)并非如此,以常用的低合金鋼１２Cr２MoG 和高合金 鋼 T/P９１,T/P９２ 為 例,在 室溫 下,這 ３ 種 材 料 的 彈 性 模 量 分 別 為 ２１８,２１８,１９１GPa,１２Cr２MoG 鋼與 T/P９１鋼具有相同的彈性模量,而 T/P９１ 鋼與 T/P９２ 鋼的彈性模量雖然有差 別,但 也 不 大 于 ２０％,那 么 是 否 可 以 都 使 用GB/T１７３９４．４－２０１４中的表１進(jìn)行里氏硬度與布氏硬度的換算呢? 試驗(yàn)證明,若 T/P９１ 和 T/P９２鋼也按 照 GB/T１７３９４．４－２０１４ 中 的 表 １ 進(jìn) 行 換算,則偏差較大.

１２Cr２MoG 鋼與 T/P９１鋼雖然彈性模量相近,二者換算關(guān)系的差異,可以認(rèn)為與屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度有關(guān).但是,對(duì)于 T/P９１鋼和 T/P９２鋼來(lái)說(shuō),似乎有些難以解釋,T/P９１鋼和 T/P９２鋼同屬于鐵素體型耐熱鋼,二者在化學(xué)成分、微觀組織、力學(xué)性能等方面均較為接近,所得結(jié)果為何相差如此之大?基于第１節(jié)中對(duì)硬度的定義以及里氏硬度與布氏硬度物理意義的理解和分析,以下從物理學(xué)角度對(duì) T/P９１鋼和 T/P９２鋼里氏硬度與布氏硬度換算存在的差異進(jìn)行解釋.

３ 物理學(xué)解釋

３．１ 試驗(yàn)條件對(duì)布氏硬度值的影響

在實(shí)際工作中,各種硬度試驗(yàn)方法之間并沒(méi)有明確的理論公式關(guān)系,不僅里氏硬度試驗(yàn)(動(dòng)態(tài)測(cè)試)與布氏硬度試驗(yàn)(靜態(tài)測(cè)試)之間的換算有一定的誤差,就是靜態(tài)硬度之間的換算也是如此,甚至于即使是同種硬度試驗(yàn)方法,也因其受不同試驗(yàn)件的限制,在測(cè)試相同試樣時(shí)獲得的硬度值也會(huì)不同.例如布氏硬度試驗(yàn)壓頭類型、壓頭大小、試驗(yàn)力大小等,均是可以影響硬度值的關(guān)鍵因素,同時(shí)布氏硬度試驗(yàn)又根據(jù)試驗(yàn)力與球壓頭直徑平方的比值被分為不同等級(jí)(３０,１５,１０,５,２．５,１),當(dāng)用同一臺(tái)布氏硬度計(jì)測(cè)試同一待測(cè)試樣,選擇不同規(guī)格的壓頭直徑以及不同大小的比值時(shí),所獲得的布氏硬度值并不相同.

相同的材料,相同的試驗(yàn)方法,在不同的試驗(yàn)條件下尚且有如此差別,那么對(duì)于成分、彈性模量、力學(xué)性能等都還有些差別的 T/P９１鋼和 T/P９２鋼來(lái)說(shuō),其里氏硬度與布氏硬度換算關(guān)系存在差異就不難理解了

３．２ 彈性模量

硬度的高低不僅取決于不同的試驗(yàn)方法、不同的試驗(yàn)載荷,還與被測(cè)材料的彈性模量、彈性極限、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度等性能有著直接、密切的關(guān)系.顯然,T/P９１鋼和 T/P９２鋼里氏硬度與布氏硬度的換算差異也與這些性能息息相關(guān).由第１節(jié)分析可知,彈性模量作為材料最重要的物理性能參數(shù)之一,無(wú)疑是影響里氏硬度大小的重要指標(biāo).彈性模量是彈性變形時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變之間的比例系數(shù)(用E 表示).從宏觀角度看,彈性模量可視為衡量材料產(chǎn)生彈性變形難易程度的指標(biāo);從微觀角度看,彈性模量實(shí)際是原子間靜電引力的表征,其數(shù)值反映了原子間結(jié)合力的大小.工程上將彈性模量又稱為材料剛度,其值越大,使材料發(fā)生一定彈性變形的應(yīng)力也就越大.即材料剛度越大,在一定應(yīng)力作用下發(fā)生的彈性變形則越小.

彈性模量與材料的化學(xué)成分和溫度有關(guān),是一個(gè)相對(duì)比較穩(wěn)定的材料常數(shù),受組織、熱處理、合金化以及加載速度等的影響較小.冷塑性變形可使彈性模量下降約５％,大量冷塑性變形,產(chǎn)生織構(gòu)出現(xiàn)各向異性,可使彈性模量沿變形方向加大[４].從影響彈性模量的因素上分析,同一種材料的彈性模量基本是固定的,除非經(jīng)過(guò)大量冷塑性變形,否則要大幅度地改變彈性模量,只有更換材料.也正因?yàn)槿绱?在分析 T/P９１ 鋼和 T/P９２ 鋼里氏硬度與布氏硬度換算差異的過(guò)程中,認(rèn)為二者的彈性模量分別是固定的.表３列出了 T/P９１鋼和 T/P９２鋼室溫下的性能數(shù)據(jù).

３．３ 硬度測(cè)試過(guò)程及模型

從硬度測(cè)試過(guò)程角度分析,布氏硬度和里氏硬度的測(cè)試過(guò)程均可描述為:剛性壓頭在一定載荷作用(布氏硬度為施加試驗(yàn)力,里氏硬度為沖擊動(dòng)能)下,垂直壓入試樣表面,并使其產(chǎn)生壓痕,將此壓痕簡(jiǎn)化為如圖１所示的模型.圖１中:OA,AB,OB 分別表示壓痕中塑性、彈性和全部變形尺寸;Ⅰ,Ⅱ,Ⅰ＋Ⅱ區(qū)的面積分別表示塑性、彈性和全部變形能量.

硬度與強(qiáng)度之間存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系,硬度是材料強(qiáng)度指標(biāo)的直接體現(xiàn),而里氏硬度又與彈性模量息息相關(guān).由此,基于里氏、布氏硬度的物理意義構(gòu)建了簡(jiǎn)化的應(yīng)力Ｇ應(yīng)變(σＧε)曲線模型,來(lái)定性地討論硬度測(cè)試過(guò)程,如圖２所示.圖２中:OA,AB,OB 分別表示硬度測(cè)試中塑性、彈性和全部變形尺寸,分別與圖１中的 OA,AB,OB 相對(duì)應(yīng);OACD,ABC,OBCD 圍 成 的 面 積SOACD ,SΔABC ,SOBCD 分 別表示塑性、彈性和全部變形能量,分別與圖１中Ⅰ,Ⅱ,Ⅰ＋Ⅱ區(qū)的面積相對(duì)應(yīng).從布氏硬度、里氏硬度的試驗(yàn)原理和物理意義可知:布氏硬度反映的是試樣抵抗塑性變形能力的大小,與壓痕尺寸有關(guān),因此在圖２中可用OA 大小來(lái)計(jì)量布氏硬度值(OA 在σＧε曲線中可示意材料在一定試驗(yàn)力下所產(chǎn)生應(yīng)變的大小),與其他變形無(wú)關(guān);而里氏硬度反映被測(cè)試樣抵抗彈性和塑性變形的能力,取決于彈性變形能在全部變形能量中所占的比例,以

來(lái)計(jì)量里氏硬度值.

圖３為 T/P９１和 T/P９２鋼簡(jiǎn)化的σＧε 曲線示意圖,假設(shè) T/P９１ 鋼和 T/P９２ 鋼有相同的布氏硬度(OA),分別表示 T/P９１鋼和 T/P９２鋼與同一布氏硬度 OA 相對(duì)應(yīng)的里氏硬度

分別取決于 T/P９１鋼和 T/P９２鋼的屈服強(qiáng)度σ.二者 OA 一 致,屈 服 強(qiáng) 度 不 同,則由 此 可 見(jiàn),當(dāng) T/P９１鋼和 T/P９２鋼具有相同布氏硬度時(shí),二者的里氏硬度必然不相等.因此,里氏硬度的大小不僅取決于彈性模量E,也與屈服強(qiáng)度σ有關(guān).

對(duì)于 T/P９１鋼和 T/P９２ 鋼,其各自的彈性模量是 固 定 值,且 T/P９１ 鋼 的 彈 性 模 量 E１ 大 于T/P９２鋼的彈性模量 E２,而屈服強(qiáng)度為一范圍值,標(biāo)準(zhǔn)要求 T/P９１鋼不小于４１５MPa,T/P９２鋼不小于４４０MPa,同時(shí)批次不同的同一材料,屈服強(qiáng)度也有所差別.因此對(duì) T/P９１鋼和 T/P９２ 鋼來(lái)說(shuō),其簡(jiǎn)化的σＧε曲線除圖３的形式外(E 大σ小),還可能存在E 大σ大的曲線形式,但是無(wú)論E 與σ 的相對(duì)關(guān)系如何,均可得到以下兩組對(duì)應(yīng)關(guān)系:

這表明,具有相同布氏硬度的條件下,當(dāng)E 大時(shí),只有二者σ 的相對(duì)關(guān)

系在 某 一 數(shù) 值 時(shí),才 存 在即T/P９１鋼的里氏硬度才大于 T/P９２鋼的.對(duì)比圖４中 T/P９１鋼和 T/P９２鋼的里氏硬度與布氏硬度換算曲線,可見(jiàn)兩曲線有相交的趨勢(shì),與上述分析結(jié)果相一致.

綜合上述分析可見(jiàn),布氏硬度與里氏硬度的轉(zhuǎn)化一致性,不但取決 E 的大小,還取決于 E 與σ 之間的相互關(guān)系.

３．４ 趨勢(shì)一致性分析

針對(duì) T/P９２鋼和 T/P９１鋼里氏硬度與布氏硬度換算存在一定差異的情況,進(jìn)行了復(fù)核試驗(yàn),試樣硬度范圍１５０~２２０HBW,復(fù)核試驗(yàn)結(jié)果顯示,布氏硬度實(shí)測(cè)值與按表１和表２換算的布氏硬度值吻合性較好,雖然個(gè)別數(shù)據(jù)存在幾個(gè)布氏硬度值的差別,但是差別較小(０~６ HBW).總結(jié)多次 T/P９１ 鋼和 T/P９２鋼的里氏硬度與布氏硬度換算數(shù)據(jù)可見(jiàn),雖然各次換算存在偏差,但均保持著一致的規(guī)律性,即有相同布氏硬度時(shí) T/P９１鋼相對(duì)應(yīng)的里氏硬度大于 T/P９２鋼的.

在分析里氏硬度和布氏硬度物理意義的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了 T/P９１鋼和 T/P９２鋼簡(jiǎn)化的σＧε曲線模型,綜合了 T/P９１鋼和 T/P９２鋼彈性模量、屈服強(qiáng)度對(duì)硬度換算關(guān)系的影響,并得出了與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的結(jié)論,即在具有一定相對(duì)關(guān)系的屈服強(qiáng)度下,換算為相同布氏硬度時(shí),T/P９１鋼對(duì)應(yīng)的里氏硬度值應(yīng)大于 T/P９２ 鋼 的.同 時(shí),通 過(guò) 復(fù) 核 性 試 驗(yàn) 證實(shí),盡管各次試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在偏差,但是趨勢(shì)性較好,規(guī)律性一致,進(jìn)一步證實(shí)了 T/P９１ 鋼和 T/P９２ 鋼里氏硬度與布氏硬度換算關(guān)系的正確性。

綜合分析認(rèn)為:里氏硬度這一動(dòng)態(tài)試驗(yàn)方法,是一門試驗(yàn)學(xué)科,應(yīng)以大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),是對(duì)大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析,盡管每次試驗(yàn)數(shù)據(jù)會(huì)存在或多或少的差異,但是數(shù)據(jù)量越大,各換算表之間的偏差就越小,單一換算表的換算誤差也就越小,換算值就越接近真實(shí)值;而不能僅僅依據(jù)成分、組織、性能相近來(lái)進(jìn)行理論推導(dǎo),想當(dāng)然地認(rèn)為其存在一致的換算關(guān)系.從這個(gè)角度看,對(duì)于同一材料,當(dāng)成型工藝不同時(shí)(例如鍛造與軋制),里氏硬度與布氏硬度之間的關(guān)系也會(huì)隨之發(fā)生變化,因而不能通過(guò)簡(jiǎn)單的理論推導(dǎo),而使用同一換算關(guān)系進(jìn)行里氏硬度與布氏硬度的換算.

４ 結(jié)論

(１)里氏硬度大小取決于試樣壓痕中彈性變形能在全部變形能量中所占的比例,與被測(cè)材料的彈性和塑性等性能指標(biāo)息息相關(guān).

(２)布氏硬度與里氏硬度的轉(zhuǎn)化一致性,不但取決彈性模 量 的 大 小,還 取 決 于 彈 性 模 量 與 屈 服強(qiáng)度之間 的 相 互 關(guān) 系.轉(zhuǎn) 換 為 同 一 布 氏 硬 度,只有當(dāng)兩 種 材 料 屈 服 強(qiáng) 度 的 相 對(duì) 關(guān) 系 在 某 一 數(shù) 值時(shí),具有較大彈性模量的材料,其彈性變形能在全部變形能量 中 所 占 的 比 例 才 會(huì) 較 大,對(duì) 應(yīng) 的 里 氏硬度也較大.

（文章來(lái)源：材料與測(cè)試網(wǎng)-理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè) > 2018年 > 10期 > pp.726）