里氏硬度是一种新型的动态硬度试验方法，具有测试精度高、设备体积小、操作简便、携带方便、测量范围广等特点，常用于现场大型构件的硬度测定。前期的研究表明，里氏硬度与硬度、强度等力学性能之间存在一定的规律性，并得到了各种材料硬度与强度的换算公式。同时，在国家标准中也有硬度与强度的换算表，如GB/T 1172-1999、GB/T 17394-1998。但由于材料种类不同，硬度测量原理也各有不同，很多研究报告并没有针对不同材料给出统一的换算公式，在实际使用中选择一个合适的公式非常重要。
奥氏体不锈钢因具有良好的耐腐蚀性能而在核电站中得到广泛的应用。目前，关于奥氏体不锈钢的硬度与强度的换算关系研究较少，国家标准提供的换算表中也缺少此类换算表。因此，对多个国家核电站使用的奥氏体不锈钢的里氏硬度、维氏硬度及强度进行了测试，并在此基础上研究了该类材料的里氏硬度、维氏硬度与强度的换算关系。
1. 样品制备及试验方法
试验材料核电站用奥氏体不锈钢包括我国目前使用的304N G核级不锈钢，日本的304L、316L不锈钢，印度的316LN超低碳控氮不锈钢，其化学成分见表1。另外，为了模拟核电站服役条件下加工硬化和辐射敏化对材料力学性能的影响，对部分不锈钢试样进行了敏化处理(在钢号后加S表示。其中304LS的敏化工艺为650℃×100h空冷+550℃×200h空冷，316LS的敏化工艺为700℃×30h空冷+620℃×400h空冷)或加工变形处理(WR表示温轧，CW表示冷轧)。牌号304L WR750表示在200～250℃温轧后抗拉强度达到，304L CW900表示在室温冷轧后抗拉强度为，304L表示在室温冷轧后抗拉强度为1 ，316L WR750表示在200～250℃温轧后抗拉强度为。该厂固溶退火工艺为1 100℃加热，水冷。
表1 试验所用奥氏体不锈钢的化学成分（质量分数）
日本核电站采用MYB型拉力试验机，试样尺寸为短比例拉伸试样，标距长度为20 mm。试验前标距部分用4号砂纸打磨，最后用砂纸沿轴向打磨，避免出现影响试验结果的周向划痕。采用W360L里氏硬度计按GB/T 4340.1-1999测试里氏硬度（HL），采用适用于大多数场合的D型冲击装置；采用Zwick/Roell压痕硬度计按GB/T 4340.1-1999测试维氏硬度（HV），载荷为98 N，保持时间为10 s。用锯床切割后的里氏硬度和维氏硬度试样厚度符合国家标准要求。依次经过150#、500#水砂纸打磨、机械抛光、电化学抛光等处理工序，测试500#水砂纸打磨、机械抛光、电化学抛光等表面状态下的硬度值，每个试件在不同表面状态下测试9点的里氏硬度和5点的维氏硬度，取平均值作为表面状态下的里氏硬度和维氏硬度，点间距符合相应国家标准。
由于奥氏体不锈钢的拉伸曲线中没有明显的屈服平台，因此采用非比例拉伸强度Rp0.2来表征材料的屈服强度。
2.实验结果与讨论
2.1 里氏硬度与维氏硬度的换算关系
表2中括号前的数据为电化学抛光后的硬度值，括号内的数据为500#水砂纸抛光和机械抛光后的硬度值。从表2可以看出，里氏硬度（HL）、维氏硬度（HV）和强度（Rp0.2、Rm）的变化有一定的规律。当里氏硬度值增大时，对应的维氏硬度值和强度同时增大。
表2 试验所用奥氏体不锈钢的硬度和强度值
对不同材料在不同表面处理条件下的里氏硬度和对应的维氏硬度进行拟合，并将GB/T1-1998中碳钢、低合金钢、铸钢的里氏硬度和维氏硬度换算表绘制成曲线，将两条曲线放在同一张图上进行比较。可以看出，奥氏体不锈钢的试验数据和拟合曲线在碳钢、低合金钢和铸钢的曲线上方，即在同样的里氏硬度下，奥氏体不锈钢的维氏硬度更高。
GB/T 17394-1998中碳钢、低合金钢及铸钢的里氏硬度与对应的维氏硬度换算表数据近似为直线或幂函数。若拟合成幂函数形式：HV=A×（HL）B，A=0.000 02，B=2.61，用数理统计的方法对变量间的相关系数R进行回归分析，可得R=0.996；若采用直线拟合，则关系为HV=A×HL+B，A=1.42，B=-457.60，R=01968。通常当R>0.75时，认为拟合结果具有一定的规律性，R值越接近1，拟合程度越高。对比碳钢、低合金钢、铸钢的直线拟合与幂函数拟合的R值，可以看出幂函数拟合的效果优于直线拟合，即里氏硬度与维氏硬度更接近幂函数关系，而且幂函数关系能够过原点，因此显得比直线拟合结果更加合理。
图1 不同材料里氏硬度与维氏硬度拟合曲线
当将实验得到的奥氏体不锈钢里氏硬度和维氏硬度用幂函数形式HV=A3(HL)B拟合时，A=0.0015，B=1.95，相关系数R=0.955；若用直线拟合HV=A3HL+B，则A=0.96，B=-200.78，相关系数R=0.980。由于实验得到的奥氏体不锈钢硬度主要分布在曲线两端，缺少中间值，且样本数(数据点)不够多，导致回归方程的相关系数R降低，但仍然远大于0.75。这里，幂函数拟合和直线拟合各有优缺点，幂函数拟合的曲线通过原点，但相关系数略低，而直线拟合的相关系数略高，但不通过原点。
2.2 里氏硬度与强度的换算关系
从图2可以看出，奥氏体不锈钢的里氏硬度与强度数据点在一定程度上符合线性关系，因此对电化学抛光后试验得到的里氏硬度与强度进行线性拟合，分别得到了里氏硬度HL与屈服强度RP0. 2、抗拉强度Rm的回归方程，里氏硬度与屈服强度关系式为RP0. 2=A3HL+B，A=3. 38，B=-941. 16，相关系数R=0. 981；里氏硬度与抗拉强度之间的关系式为Rm=A3HL+B，A=2.06，B=，相关系数R=0.938。将试验结果与碳钢、低合金钢（Q215A、Q215B、Q235A、Q235B、Q235C、16Mn、15MnV）以及船板钢、管线钢、军工用钢等材料研究得到的直线拟合关系Rm=2.-2.97进行比较，发现两条直线的斜率接近，但截距差别较大。
由于本试验得到的奥氏体不锈钢里氏硬度分布在拟合直线的两端，中间值较少，所以曲线上有一定的离散性，但这并不影响整体的规律，即里氏硬度与屈服强度、抗拉强度呈线性关系。
图2 试验钢里氏硬度与强度拟合曲线
2.3 维氏硬度与强度的换算关系
按照里氏硬度与强度的拟合方法，对本次试验电化学抛光后的奥氏体不锈钢维氏硬度与强度进行拟合，结果如图3所示。图中还将GB/T 1172-1999中不锈钢（材料类型、钢号未知）维氏硬度与唯一抗拉强度的换算数据也放入其中，以供参考。从图3可以看出，GB/T 1172-1999中的数据符合线性关系，线性拟合结果为Rm=A3HV+B，其中A=3.30，B=-9.52，相关系数R=0.998。本次试验奥氏体不锈钢的维氏硬度与对应的抗拉强度数据也大致符合线性关系分布。进行线性拟合，维氏硬度与抗拉强度的关系为：Rm=A3HV+B，其中A=2.10，B=252.46，相关系数为R=0.956；维氏硬度与屈服强度的关系为：RP0.2=A3HV+B，其中A=3.40，B=-212.90，相关系数为R=0.988。
图3 不同材料维氏硬度与强度拟合曲线
将GB/T 1172-1999中维氏硬度与拉伸强度数据换算的回归方程与试验数据的回归方程进行比较，发现前者的斜率（A=3.30）大于后者的斜率（A=2.10）。国家标准中硬度换算范围的下限为226 HV，而本试验的最低硬度值为129 HV。还需注意的是，硬度和强度是两个性质不同的物理量，两者之间并不一定存在一一对应的关系，但研究得到的经验换算方程对工程应用有重要贡献。
结论
3.1奥氏体不锈钢里氏硬度与维氏硬度的拟合结果可以表示为幂函数关系，也可以表示为线性关系；幂函数公式为HV=0.-1.95，相关系数R=0.955；线性关系公式为HV=0.963HL-200.78，相关系数R=0.980。
3.2奥氏体不锈钢的里氏硬度与屈服强度、抗拉强度呈线性关系，回归方程为RP0.2=3.38×3HL-941.16，相关系数R=0.981；Rm=2106×3HL+116.01，相关系数R=0.938。
3.3奥氏体不锈钢维氏硬度与屈服强度、抗拉强度呈线性关系，回归方程为：RP0.2=3.40×3HV-212.90，相关系数R=0.988；Rm=2110×3HV+252.46，相关系数R=0.956。