材料硬度是一个重要属性，表明材料在不发生显着变形的情况下承受机械力的能力。它是制造和工程中的关键属性，不仅影响产品的性能和使用寿命，而且直接影响生产过程的效率和最终产品的质量。在本文中，我们将仔细研究什么是材料硬度以及如何测量它。
什么是材料硬度？
材料硬度是指材料抵抗局部塑性变形（永久变形）的能力。换句话说，它衡量材料在刮擦、压痕和磨损等外力存在下对形状变化的抵抗力。
如下图所示，大多数塑料材料的硬度较低，而钻石很难凹陷或划伤。大多数其他材料介于两者之间。
硬度很容易与其他材料特性（例如韧性和强度）混淆，但它们属于材料的三种不同特性。具体来说，硬度表示表面抵抗变形和磨损的能力，而韧性是指材料吸收能量和塑性变形而不断裂的能力，强度涉及材料承受拉伸、压缩和弯曲力的整体能力。区分这些特性的一个简单方法是记住硬度与表面阻力有关，韧性与能量吸收和变形有关，强度与整体承载能力有关。
同时，这些属性是相互关联的。例如，高硬度的材料通常具有更好的耐磨性，这意味着使用较硬的材料可以减少零件磨损并显着延长部件的使用寿命。硬度还与材料抵抗变形和断裂的能力密切相关。一般来说，硬度高的材料也具有较高的拉伸和压缩强度，通常在许多工程应用中用于确保结构的稳定性和安全性。但需要注意的是，硬度高的材料可能更脆且韧性较低，而韧性高的材料可能硬度较低。
硬度类型
了解硬度的定义后，我们迫不及待地想弄清楚它是如何发挥作用的。现在，我们来探讨三种主要类型：压痕硬度、划痕硬度和回弹硬度。
压痕硬度
压痕硬度是指材料在承受连续载荷时抵抗永久变形的能力，这是应用于金属的最常见的载荷形式。因此，在讨论硬度时，通常指的是压痕硬度。
通常通过测量硬物体在特定力下留下的压痕的深度或大小的测试来评估。最广泛使用的测量压痕硬度的方法包括洛氏硬度、布氏硬度和维氏硬度测试。
划痕硬度
划痕硬度描述了材料抵抗由于与另一种金属接触而导致其表面划伤的能力。它通常使用莫氏硬度测试来测量，该测试主要用于测试矿物和陶瓷等脆性材料的硬度。
回弹硬度
回弹硬度，也称为动态硬度，与材料的弹性有关，描述其吸收冲击能量并将其返回压头的能力。
回弹硬度是通过测量标准锤从材料表面回弹的高度来评估的。里氏硬度计（里氏硬度）是一种基于回弹硬度原理的仪器。
如何测量材料硬度？
每种类型的硬度都提供了材料抗变形和耐磨性的不同视角，并且可以使用各种方法和尺度进行测量。在介绍测量方法之前，我们首先对硬度单位有一个大致的了解。
不同的硬度单位
如上表所示，我们看到各种硬度名称，例如“HV”、“HB”和“HRB”。它们是什么意思？硬度值本身没有牛顿或帕斯卡等传统物理单位。相反，它们被赋予了测试方法名称（如 HV 或 HB），这些名称在实际使用中有效地充当了它们的“单位”。以下是硬度测量的常用单位：
- HB：布氏硬度值
- HRA、HRB、HRC等：洛氏硬度值
- HV：维氏硬度值
- HLD、HLS、HLE等：里氏硬度值
测试材料硬度的常用方法
如前所述，硬度反映了材料表面抵抗刮擦、切割或磨损的能力。它通常是通过向材料表面施加指定的载荷来测量的。以下是常用的硬度测试方法。我们概述了每种方法的原理和主要特征，强调了每种方法在测量硬度方面的优点和局限性。
布氏硬度测试涉及在指定负载下将直径通常为 10 毫米的硬钢或硬质合金球压入材料表面，该负载根据要测试的材料而有所不同。标准载荷为 3000 kg（或 29420 N），通常适用于钢铁等硬质金属。但对于铜和黄铜等较软的材料，施加的载荷为 500 千克（或 4905 N）。该负载被施加预定的时间，然后被移除。使用显微镜测量材料表面上留下的压痕的直径。然后使用以下公式计算布氏硬度值 (HB)：
其中，F – 施加的载荷，单位为千克力 (kgf)。在 SI 系统中，通常使用牛顿 (N) 作为载荷单位。在这种情况下，HB 也可以表示为 HBND – 球的直径，mmd – 压痕的直径，mm
布氏硬度测试通常用于测试低至中等硬度的大型或厚材料，例如铸铁、钢、有色金属及其合金。它特别适合测试具有粗粒或不均匀颗粒结构的材料，因为大压痕可以消除局部不一致性。该测试执行起来相对简单，并且需要最少的样品制备。然而，与洛氏或维氏硬度测试等其他硬度测试方法相比，测试设备通常体积庞大且不太便携。
该测试方法首先涉及在预载荷（小载荷）（通常为 10 kgf）下将压头压入材料表面，这有助于压头就位并消除任何表面不规则现象。然后，施加额外的主要负载，总负载（次要负载加主要负载）范围为 60 至 150 kgf，具体取决于所使用的秤。经过指定的停留时间后，移除主要负载，并在仍处于次要负载下时测量压痕深度。
洛氏硬度值可以使用不同的洛氏硬度标度来读取，其中最常用的是 A、B 和 C 标度（HRA、HRB、HRC）。不同的标尺适用于不同类型的材料和硬度范围，每种标尺使用不同的载荷和压头类型。例如，为了测量较硬的钢和硬质合金的硬度，使用主载荷高达150kgf的金刚石圆锥压头，并在“C”刻度上读取硬度值。对于较软的材料，如铜合金、铝和较软的钢，通常使用主载荷高达 100 kgf 的 1/16 英寸直径钢球，硬度值在“B”刻度上读取。
洛氏硬度的计算公式为：
其中，N – 比例因子取决于所使用的比例s – 比例因子取决于所使用的比例d –与较小载荷相比的永久压痕深度，mm
该方法快速且易于执行，并且可以直接从洛氏硬度标尺读取硬度结果。共有 30 个标尺可用于测试不同的材料和硬度范围。因此，该方法常用于各行业的质量控制和材料测试。然而，洛氏测试对于极硬的材料（例如陶瓷）或非常软的材料（例如橡胶）可能并不理想。
该测试使用具有方形底座且相对面之间的角度为 136 度的金刚石金字塔形压头。压头以特定的载荷压入材料并保持一定的时间。卸载后留下方形压痕。使用显微镜或其他精密测量设备测量压痕两条对角线的长度。然后使用这些测量值使用以下公式计算维氏硬度值 (HV)：
其中，F – 施加的载荷，kgfd – 对角线的平均长度，mm
维氏硬度测试用途广泛，几乎可用于测试所有材料，从非常软的金属到极硬的陶瓷。它提供精确的硬度值，并且可以在非常小的区域或薄层上执行。此外，由于所有材料都使用相同的金刚石压头，因此计算硬度值非常简单。然而，这种测试方法需要专门的设备，例如显微硬度测试仪和高质量的显微镜，价格昂贵。此外，测量压痕对角线非常耗时，尤其是对于多次测试。
莫氏硬度测试是划痕测试。它是一种定性方法，以 1（最软）到 10（最硬）的等级来比较材料对已知硬度矿物的刮擦能力。滑石最软 (1)，金刚石最硬 (10)。
该方法简单、快速，不需要复杂的设备。它对于现场工作以及矿物和其他材料的快速识别非常有用。然而，它仅提供相对硬度值，并且依赖于操作者的技能和经验。
现代划痕测试已从简单的莫氏硬度测试发展为更复杂的方法，通常使用精密设备，例如金刚石压头和受控加载机构，以提供更准确和可重复的材料硬度和耐磨性测量。这些测试可以量化材料的耐刮擦性，并广泛应用于各个行业，包括涂料、金属、陶瓷和复合材料。
巩膜测试测量材料的回弹硬度。它涉及使用金刚石尖锤从固定高度落到材料上，并测量回弹高度。回弹越高，材料越硬。
该测试是一种传统但直接且非破坏性的测量，现在经常出现在更专业或历史背景中。相比之下，里氏硬度测试也是一种基于测试质量回弹速度的无损测试，在现代应用中已很大程度上取代了巩膜测试。里氏硬度测试由于其便携性、多功能性且通常包括数字读数，应用更为广泛，特别是现场测试和大规模工业用途。
材料硬度表
一旦您知道零件将承受的负载条件类型，您就可以考虑上述任何硬度测试方法来比较您的材料选择。或者，您可以依赖供应商和在线资源（例如 Matweb）提供的信息。此外，材料硬度图也是了解和比较各种材料硬度的重要参考工具。下图提供了使用各种测量方法获得的这些不同材料的硬度值。
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如果您想为您的项目选择合适的材料，您必须了解材料的硬度。作为一家拥有 10 多年经验和加工多种材料能力的 CNC 加工制造商，我们可以从可靠的原材料供应商处获得最准确的硬度数据。我们还有一个内部工厂，并定期进行硬度测试，作为我们质量控制程序的重要组成部分。
当然，如果您有具体要求，我们可以提供专业、详细的测试报告。我们不仅拥有一支可以测试材料硬度的质量控制专家团队，而且还拥有一支专业的工程师和机械师团队，以确保每个项目都符合最高质量每次都符合标准。
常问问题
如何选择合适的硬度测试方法？
选择合适的硬度测试方法时，应考虑材料的类型、厚度、表面状况以及所需的测试精度等因素。以下几点可以作为重要参考：
- 对于厚材料或具有粗糙微观结构的大型材料 - 布氏硬度测试是合适的。
- 如果您需要在制造环境中对各种材料进行快速、直接、无损的测量 – 洛氏硬度测试是合适的选择。
- 当您需要对薄材料或小零件进行精确测量时，维氏硬度测试非常适合。
- 当需要进行现场或无损测试时——里氏硬度测试提供了便携性和便利性。
硬度值与应力应变曲线有何关系？
硬度值提供了材料抗压痕或划痕的定量指标，而应力-应变曲线则全面展示了材料在不同应力水平下的变形行为。
尽管硬度和应力应变参数之间没有直接的数学相关性，但硬度值通常可以间接指示材料的弹性模量和屈服强度。硬度值高的材料通常在应力-应变曲线上表现出较陡的弹性区域和较高的屈服点，表明其较高的屈服强度和较大的抗变形能力。相反，硬度值较低的材料可能表现出更具延展性的行为，并且曲线上的塑性区域较长。为了全面评估材料的力学性能，有必要了解这两个因素之间的关系。
