1、2012/1現(xiàn)代鑄鐵收稿日期:2011-06-01修定日期:2011-09-26作者簡介:沈保羅 (1945.4- , 男, 畢業(yè)于清華大學機械系金屬材 料專業(yè), 四川大學教授, 博士生導師, 近年來一直從事凸輪軸鑄 件的生產(chǎn)與新產(chǎn)品開發(fā), 在國內(nèi)外學術(shù)期刊發(fā)表論文 300余篇 。鋼鐵材料抗拉強度與硬度關系綜述沈保羅, 李莉, 岳昌林(成都金頂凸輪軸鑄造有限公司, 四川郫縣 611732摘要:討論了鋼鐵材料的抗拉強度和硬度之間的關系 。 研究表明:鋼鐵材料的抗拉強度和硬度之間基本呈正相關關系, 也存在線性關系 。 受化學成分和制造工藝(鑄造 、 鍛造 、 軋制 、 熱處理 不同的影響, 鋼鐵材

2、料抗拉強度和硬度之間的換算 關系存在著較大的分散性; 但是, 在一定的生產(chǎn)條件下, 用硬度來監(jiān)控產(chǎn)品質(zhì)量是一種很好的選擇 。 關鍵詞:鋼鐵材料; 抗拉強度; 硬度 中圖分類號:TG2文獻標識碼:A文章編號:1003-8345(2012 01-0093-04Summarization of Relationship between Tensile Strength and Hardness of Iron-Steel MaterialsSHEN Bao-luo , LI Li , YUE Chang-lin(Chengdu Jinding Camshaft Casting Co. Ltd., P

3、ixian611732, China Abstract:The relationship between tensile strength values and hardness values of iron -steel materials was summarized. Statistics showed that the tensile strength values of most iron -steel materials were directly and linearly related to their hardness values. However, due to the

4、influences of chemical composition and manufacturing process (e.g. casting, forging, rolling, heat treating, etcthere was quite big dispersion existing in the conversion relationship between tensile strength values and hardness values of iron-steel materials. Therefore, the possibility of using the

5、hardness test to control castings quality would depend on the stability of the production conditions. Key words:iron and steel; tensile strength; hardness硬度和抗拉強度是機械零部件產(chǎn)品檢驗中 最常用的兩個力學性能指標 。強度性能在很大程 度上決定著材料的使用價值, 抗拉強度則往往在 機械零件設計中被作為評估其承載能力的主要 參數(shù) 。 由于硬度檢測方法簡便 、迅速又不破壞零 件,在有些情況下可以通過測定硬度并利用硬 度 強度間的換算關系來檢查和

6、判斷零件的強 度性能, 所以找出硬度和抗拉強度之間確定的關 系具有很重要的現(xiàn)實意義, 也是人們很久以來都 在努力追求的目標 。屠世潤等人依據(jù)材料力學性能的基本原理 闡明 1:抗拉強度是通過單向拉伸試驗求出的材 料強度性能指標, 常用的維氏硬度 、 布氏硬度和 洛氏硬度試驗都是壓入式硬度試驗 。 硬度和抗拉強度都是材料在外力作用下抵抗變形和破壞能 力的反映 。 硬度試驗與拉伸試驗的不同在于應力 狀 態(tài) , 即 應 力 狀 態(tài) “ 軟 性 系 數(shù) ” a 值 不 同 。 a =t /s , 其中 t 為最大切應力 、 s 為最大正應力 。 單向拉伸試驗的 a 值等于 0.5,試驗時材料先產(chǎn)生彈 性

7、變形, 到屈服后 (即應力超過屈服點 產(chǎn)生塑性 變形, 最后在正應力超過斷裂強度時發(fā)生正斷式 延性斷裂; 而在壓入式硬度試驗時 a >2, 屬于極 軟性的應力狀態(tài) 。試驗時也是材料先發(fā)生彈性變 形, 屈服后發(fā)生塑性變形, 若適當控制壓入負荷, 材料只會發(fā)生彈性變形和比單向拉伸大得多的 塑性變形而不發(fā)生切斷 。 正是由于壓入式硬度試 驗與單向拉伸之間存在著上述類似點, 因此硬度 值與強度值之間也存在著一定的關系 。 但是這兩 種試驗畢竟還是不同類型的試驗, 且應力狀態(tài)的 軟性系數(shù)也不同, 所以它們之間的關系也不會是 一種簡單的線性關系, 而且它們受材料的各種因 素的影響也會不一樣 。檢 測

8、 技 術(shù)Test and Measurement Technique93現(xiàn)代鑄鐵 2012/1了解鋼鐵材料抗拉強度與硬度之間的關系 及其影響因素, 不但對材料的生產(chǎn)廠家, 而且對 于用戶都是非常重要的 。1鋼的抗拉強度與硬度的關系國際標準 ISO 18265:2003以及國家標準GB/T1172-1999都列表標明了各種鋼的抗拉強 度與硬度值,從公布的換算表可以清楚地看到, 鋼的抗拉強度與其硬度呈正相關關系 。 如果知道 了某種鋼材的硬度值, 就很容易換算出相應的抗 拉強度 。 但是由于鋼材化學成分的差異, 制造工 藝的不同,換算出的抗拉強度相差較大 。 比如 #45鋼,當用淬火后高溫回火 (

9、調(diào)質(zhì) 和正火處理 兩種工藝獲得相同的硬度值 200HB 時, 調(diào)質(zhì)態(tài) 的抗拉強度為 620MPa ,而正火態(tài)的只有 540MPa 1。 ISO/TR10108:1989 鋼 硬度和抗拉強 度換算 是一個硬度和抗拉強度換算的技術(shù)報 告, 是為布氏硬度和維氏硬度建立的硬度 抗拉 強度換算及其應用規(guī)則 。材料是超軟鋼 、 軟鋼 、 結(jié) 構(gòu)鋼 、高強度鋼 、 超高強度鋼 、 合金鋼和不銹鋼, 換算關系在 95%置信度極限下抗拉強度分散帶 的寬度在 200MPa 以上 2。 因而, 建立在生產(chǎn)條件下各種鋼材的抗拉強度與硬度的關系就顯得重 要了 。為了便于用硬度監(jiān)控鑄造碳鋼的質(zhì)量, 楊玉 民等人 3發(fā)現(xiàn)鑄

10、造碳鋼的抗拉強度與硬度 (HBS 呈線性關系 (圖 1 , 通過線性回歸獲得了公式:R m =3.31HBS +35.03(1 公式 (1 解決了由于試樣存在缺陷而測不出 抗拉強度, 造成鑄件不能及時轉(zhuǎn)序, 從而影響生產(chǎn)效率的難題 。 江勤峰等人 4通過大量試驗建立 了昆鋼冷軋薄板 St13抗拉強度與洛氏硬度關系, 可用于不同板厚鋼板的強度估算 。 他們獲得 的關系式為:R m =2.5526HRF+118.63(2 (0.7mm 板厚 1.1mm R m =2.1361HRB+215.03(3(1.1mm <板厚 2.0mm 42CrMo 鋼強度高,淬透性好,廣泛用于齒輪 、螺桿 、

11、曲軸及大截面軸類零件的制造, 特別是 在高強度緊固件的制造中更是具有重要地位 。 余 兆新和謝靈揚 5建立了適用于熱軋 、 退火以及調(diào) 質(zhì)狀態(tài) 42CrMo 鋼的抗拉強度與布氏硬度關系 式:R m =49.1+3.174HB+R(4 (HB <200, R =-16; HB =200250, R =-100;HB >250, R =+163奧氏體不銹鋼的里氏硬度 (HL 與屈服強度(R p 0.2和抗拉強度 (R m 之間符合線性關系, 其回 歸關系式為 6:R p 0.2=3.38HL -941.16,相關系數(shù) R =0.981(5 R m =2.06HL +116.01,相關系

12、數(shù) R =0.938(6 奧氏體不銹鋼的維氏硬度 (HV 與屈服強度 (R p 0.2和抗拉強度 (R m 之間符合線性關系, 其回 歸關系式為 6:R p 0.2=3.40HV -212.90,相關系數(shù) R =0.988(7 R m =2.10HV +252.46,相關系數(shù) R =0.956(8 2鑄鐵抗拉強度與硬度的關系2.1灰鑄鐵抗拉強度與硬度的關系灰鑄鐵是由片狀石墨 、 珠光體 、 鐵素體 、 碳化物 、 磷共晶 、 硫化物以及夾雜物組成的多相復合 材料, 由于各組分的相對含量 、 大小 、 形態(tài)以及分 布不同, 對鑄鐵的抗拉強度會產(chǎn)生舉足輕重的影 響 。 此外, 灰鑄鐵的抗拉強度還受

13、合金元素加入 種類和加入量 、 熔煉方式 (沖天爐或是電爐 、 原 材料的遺傳性 、孕育劑種類 、 孕育量 、 孕育方式 (一般孕育或隨流孕育 以及微量元素的影響, 其 與硬度的關系比鋼更復雜 。上世紀五六十年代, 鑄造學者對灰鑄鐵的共 晶度 (Sc 、 抗拉強度 (R m 及硬度 (HB 之間的關系 做了大量的統(tǒng)計和計算, 總結(jié)成下列計算公式 7:圖 1鑄造碳鋼抗拉強度與硬度的關系 4Fig.1Relationship between tensile strength andhardness of the cast carbon steel 4750700650600550500450400

14、350300抗 拉 強 度 實 測 值 /M P a硬度實測值 (HBS Test and Measurement Technique檢 測 技 術(shù)94R m =1000-800Sc (9 HB=530-344Sc (10 由公式 (9 和 (10 可以得到:R m =2.3HB-232.6(11 公式 (11 也表示抗拉強度 (Rm與硬度 (HB 呈線性相關 。表示抗拉強度 (Rm與硬度 (HB 線性相關的 公式還有:R m (kgf =(HB-82 /68(12 R m (kgf =(HB-40 /68(13 R m 196MPa 時, HB=RH(100+0.438R m 911 (14

15、 R m <196MPa 時, HB=RH(44+0.724R m 911 (15 注:式中 RH 表示相對硬度, 一般為 0.81.2。 R m =0.97HBS+42.8512(16 (適于中頻爐冶煉 R m =2.11HB-16713(17 R m =2.05HB-149.313(18 R m =2.5HB-175(誤差 ±60MPa 14(19 公式 (11 (19 的共同特點是建立了抗拉強度 (Rm與硬度 (HB 的線性關系 。 還有人將抗拉 強度與硬度 、 化學成分 、 CE 聯(lián)系起來建立了如下 公式:R m =258.3+1.27HB-67.3×w (C

16、 -25×w (Si -31×w (P 15(20 R m =263.4+1.3HB-65×w (C -25.5×w (Si -32×w (P 13(21 需要注意的是, 公式 (21 適用于抗拉強度在 150250MPa 之間的灰鑄鐵 。R m =3.31HB-0.52HB×CE+2.513(22 R m =3.08HBR-0.24HBR×CE-6.2813(23 近年來, 一些國家用抗拉強度和布氏硬度之比 m =Rm/HBS來表達灰鑄鐵的切削性能指標, 這 一方式更為直接 。 m 值大, 表示在強度高時, 硬度 低,切削

17、性能好 。 這些國家用 m 值作為內(nèi)控標 準, 根據(jù)不同牌號將 m 值控制在 1.01.4。灰鑄鐵之所以除了強度以外對硬度的要求 越來越嚴格,是因為隨著加工機床的數(shù)控化 、 精 密化 、 切削高速化, 鑄件硬度對機床的切削速度 和刀具磨損影響變得更加突出 。 因此, 在灰鑄鐵 的內(nèi)在質(zhì)量中,力學性能仍以抗拉強度為指標,鑄造性能以共晶度為指標, 加工性能以 HB 為指標, 用成熟度 、 硬化度 、 品質(zhì)系數(shù)來表示灰鑄鐵的內(nèi)在質(zhì)量的優(yōu)良程度 。2.2球鐵抗拉強度與硬度的關系球鐵是由球狀石墨 、 珠光體 、 鐵素體 、 碳化物(一般含量極少 組成的多相復合材料, 由于各組分的相對含量 、 大小 、

18、形態(tài)以及分布不同, 對球鐵的抗拉強度也會產(chǎn)生重要的影響 。 特別是球鐵還可以通過熱處理 (正火, 等溫淬火, 淬火 +回火等 進行強韌化, 因而球鐵抗拉強度與硬度的關系較復雜 。管野利猛 14通過統(tǒng)計研究獲得了球鐵抗拉強度與布氏硬度 (100300HB 的線性關系:R m =3.5HB-70(誤差 ±60MPa (24汽車工業(yè)在我國的迅猛發(fā)展帶動了鑄造業(yè)的飛速向前 。 現(xiàn)在, 用球鐵制造汽車發(fā)動機曲軸成了曲軸制造的主流 。 楊勝斌等 16研究了球墨鑄鐵曲軸硬度與抗拉強度的關系, 并得到如下的回歸方程:R m =3.249HB+20.571(25(相關系數(shù) R =0.65213結(jié)束語由

19、上述討論可以清楚地看出, 鋼鐵材料抗拉強度和硬度之間呈正相關關系, 在許多時候存在線性關系 。 受化學成分和制造工藝 (鑄造 、 鍛造 、軋制 、 熱處理 的影響, 鋼鐵材料抗拉強度和硬度之間的換算關系存在著較大的分散性 。 但是, 在生產(chǎn)條件固定的情況下, 建立鋼鐵材料抗拉強度與硬度之間的關系并用硬度來監(jiān)控產(chǎn)品的生產(chǎn)過程是一種簡單而便捷的選擇 。參 考 文 獻1屠世潤, 趙志鵬, 吳明, 等 . 硬度與抗拉強度的關系淺析 J.機械工業(yè)標準化與質(zhì)量, 2009, (10 :31-34.2GB/T1172-1999, 黑色金屬硬度與強度換算值 S.3楊玉民, 王忠, 秦懷, 等 . 碳鋼鑄件強度

20、與硬度的關系 J.鑄造,2009, 58(3 :287-289.4江勤峰, 朱永華, 陳莉, 等 . 昆鋼冷軋薄板 St13抗拉強度與洛氏硬度關系探討 J.物理測試, 2009, 27(5 :1-4.5余兆新, 謝靈揚 .42CrMo 鋼硬度與強度關系研究 J.裝備制造,2009, (4 :140.6陳冰川, 李光福, 楊武 . 奧氏體不銹鋼里氏硬度維氏硬度及強檢 測 技 術(shù) Test and Measurement Technique952012/1現(xiàn)代鑄鐵現(xiàn)代鑄鐵 2012/1感 悟 鑄 造度之間的換算關系 J.機械工程材料, 2009, 33(9 :37-40. 7馬敬仲 . 灰鑄鐵質(zhì)量

21、概念及國內(nèi)外差距 J.現(xiàn)代鑄鐵, 2009, (1 :15-19.8馮正清 . 關于灰鑄鐵硬度和強度之間的關系的討論及應用 J.鑄造, 1985, (6 :34-35.9史鑒開,吳曉三 . 鑄件檢驗中灰鑄鐵牌號和硬度牌號矛盾淺析 J.企業(yè)標準化, 1994, (6 :30-32.10鄒崇新,韓艷紅 . 灰鑄鐵的硬度與抗位強度之間的關系 J.鑄 造技術(shù), 1995, (1 :36-37.11史鑒開,吳曉三 . 正確選擇灰鑄鐵牌號和硬度牌號 J.現(xiàn)代機 械, 1995, (3 :46-47.12楊貴成,楊鳳民 . 中頻感應電爐熔煉灰鑄鐵抗拉強度與硬度 的關系 J.現(xiàn)代鑄鐵, 2002, (2 :5

22、3-55.13沈保羅 . 用灰鑄鐵的硬度和化學成分估計其抗拉強度 J.機械制造, 1996, (3 :32.14管野利猛 . 鑄鐵硬度與各種機械性能的關系 J.國外機車車輛工藝, 2009, (1 :30-36.15中國機械工程學會鑄造分會 . 鑄造手冊 ·鑄鐵 (第二版 M.北京機械工業(yè)出版社, 2002:209.16楊勝斌,邸曉竹, 溫力, 等 . 關于球墨鑄鐵曲軸硬度與抗拉強 度關系的研究 J.拖拉機與農(nóng)用運輸車, 2006, 36(6 :88-89.(編輯:王 峰, E-mail :xdzt_wf;當前條件下球鐵生產(chǎn)應降低稀土用量稀土是 17種元素的統(tǒng)稱, 由于 它是很多高精尖產(chǎn)業(yè)所必不可少的 原料,也是許多國家仰仗我國開采 出口的高級原料,因而成為我國最 重要的戰(zhàn)略資源 。資源既是一個國家的寶貴財 富, 也是