硬度受残余应力影响的研究

由于原理不同，硬度可以分为压入硬度和回弹硬度。但当存在残余应力时，无论哪种硬度的测定值都会受到影响。在压入硬度情况下，残余应力会影响压入部分周围的塑性变形；对于回弹硬度，残余应力会影响回弹能量，从而使硬度的测定值有所变动。如果硬度的测定值变动很大，则可以反过来用硬度的测定来测量残余应力。但是，对此影响从理论上分析是极其困难的。

1.残余应力对压入硬度的影响

如果利用与压入硬度不同的赫芝硬度，则由于它在测定硬度时是把球压到表面，用处于载荷作用下的部分开始产生塑性变形的压力来表示硬度的，因此在所测得的硬度中，除了取决于组织状态的硬度外，还可求得残余应力的影响。如果用F表示载荷，用σ表示材料表面与球接触部分的最高压力，则根据赫芝接触理论可得

式中，E为弹性模量；ν为泊松比；d为球的直径。

用式（1-5）求得的硬度是对应于材料弹性极限的指标。

图1-15所示为硬度为58HRC（这是无应力作用时的硬度）Ni-Cr钢的圆板进行弯曲变形，从而求出的圆板表面应力与赫芝硬度之间的关系。无应力作用时，硬度为3400MPa；当应力为-1470MPa（-210×7MPa）时，硬度则为6800MPa。

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图1-15 赫芝硬度与应力的关系^[1]

注：材料为Ni-Cr钢，经淬火+回火处理；材料表面硬度为58HRC。

2.残余应力对回弹硬度的影响

对于回弹硬度而言，材料的弹性模量和屈服强度等具有决定性的影响。残余应力对这种硬度也会造成一定的影响。因此，当残余应力存在时，即使是在低载荷作用下，材料内部也易于发生塑性变形。由于回弹硬度能使材料受到冲击力，因此只要在材料内造成微小的塑性变形功，就会减少回弹能，从而降低回弹硬度。当残余应力是拉应力时，这种效应会更加明显，如图1-16所示。

图1-16 肖氏硬度与弯曲应力的关系^[1]

注：图中温度为退火温度。