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。
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。

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,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。
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。

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:
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。
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。


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。
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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:
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。
数控车削是应用最广泛的数控加工工艺之一,因其精度和多功能性而在制造业中备受推崇。它涉及一种固定切削刀具,用于从车床或车削中心上的旋转工件上去除材料。该工艺主要用于生产具有圆形或轴对称特征的零件。根据切割操作的类型,它可以创建圆柱形、圆锥形、螺纹、凹槽或孔部件,以及具有特定表面纹理的零件。
想象一下,将您最喜欢的咖啡杯放在厨房的地板上 - 它变成锋利的碎片。现在,秋天后,想象一下智能手机屏幕蜘蛛网,或地震期间未增强的混凝土墙破裂。这些日常示例突出了脆性,这是一种物质属性,可以导致突然破裂而不会警告。 Brittlenes对安全性和可靠性至关重要:建筑物,桥梁或产品中的脆性组件如果不考虑灾难性的情况。历史提供了鲜明的提醒 - 最著名的是RMS泰坦尼克号,其钢铁在冰冷的大西洋水域变得脆弱,并在撞击而不是弯曲方面破裂,导致了灾难。工程师和设计师密切关注Brittleness,因为与弯曲或伸展的延性材料不同,脆性易碎的材料往往会在压力下折断。 这篇文章探讨了什么是脆性以及它与硬度和韧性的不同。它还解释了为什么玻璃或铸铁等材料是脆性的,以及我们如何测试和减轻工程设计中的脆性。 什么是脆性? 材料科学中的脆弱性是指材料事先几乎没有塑性变形的材料倾向的趋势。简而言之,脆性材料不会弯曲或伸展太多 - 它会破裂。如果您尝试弯曲脆性物体,它几乎会立即破裂或捕捉,而不是经历塑性变形。这是相反的延性,在失败之前,材料维持明显的塑性变形(例如,将其吸引到电线或弯曲中)的能力。高度延展的金属(例如铜或金)可以大量弯曲,拉伸或抽出,而在仅弹性菌株后,脆性材料(例如玻璃或陶瓷)骨折。 脆性,韧性,韧性和硬度 比较脆性和延展性归结于材料在骨折前可以变形的材料多少。脆性材料的延展性很低,并在小应变下达到其断裂点。延性的一个可以维持明显的塑性变形。在金属中,一个共同的经验法则是,休息时的伸长率通常称为脆,而考虑〜5%延性(材料和测试依赖性;陶瓷和玻璃通常远低于1%)。实际上,脆性材料几乎没有发出警告 - 在折断之前,它们不会明显弯曲或脖子。在应力 - 应变曲线,延性材料显示出屈服和较长的塑料区域,而脆性材料几乎是线性弹性的,直到突然裂缝具有最小的可塑性。 韧性描述材料在破裂前吸收的能量(思考:应力 - 应变曲线下的区域)。当材料结合高强度和良好的延展性时,通常会增加。这不是严厉的“相反”。橡胶轮胎很艰难,因为它会变形并吸收影响。退火玻璃很脆,因为它不能塑料变形,因此急剧的打击会使它破裂。 硬度是一个不同的概念 - 它抵抗刮擦和局部凹痕。材料可能非常困难但脆弱。例如,钻石抵制刮擦,但缺乏可塑性,可以在急剧的打击下切碎或劈开。相反,相对柔软的东西(例如橡胶)可以抵抗撞击的破裂,因为它会变形。简而言之,硬度涉及对局部变形的抵抗力,而残酷的性质描述了断裂行为。 易碎材料的示例及其失败 许多日常和工业材料表现出脆弱的行为。以下是一些例子,以及它们如何在压力下失败: 玻璃:普通玻璃(例如窗玻璃或水杯)是一种经典的脆性材料。它在压缩方面非常坚固且强烈,但是在拉伸应力或影响下,它不能塑性变形。将玻璃杯放在坚硬的地板上,通常会碎裂大而尖锐的碎片。故障是通过裂纹传播的:一旦一个微小的缺陷或冲击点会引发裂缝,它就会穿过玻璃,几乎没有塑性变形。这种脆性来自其结构:二氧化硅网络是刚性和无定形的,与金属不同,没有移动位错来缓解压力。有趣的是,特殊治疗可以改变玻璃断裂的方式,例如,通过热处理以引入表面压力应力而产生的钢化玻璃,仍然很脆,但往往会分解成小钝骰子样的碎片(因此“安全玻璃”)。层压玻璃,用于挡风玻璃,将两个玻璃杯粘合到塑料层中(通常是PVB),因此,当裂缝形成裂缝时,层中层将碎片将碎片固定在一起。这些治疗方法可以减轻故障模式,但从根本上讲,玻璃通过破裂而不是弯曲而失败。 陶瓷:陶瓷同样脆弱。从架子上敲出陶瓷花瓶,它会碎片或破碎而不是凹痕。从结构上讲,陶瓷是离子和/或共价键合的,通常是多晶(瓷器也包含玻璃相)。例如,在瓷板中,原子晶格是刚性的。当压力时,原子飞机无法轻易滑落。在离子固体中,一个小移位带来了同样的带电离子并排,它们强烈排斥,裂纹引发。由于位错运动是有限的,键是定向的,因此陶瓷具有高硬度和抗压强度,但倾向于在张力或弯曲下折断。当它们失败时,裂缝表面通常会清洁并沿晶体平面(裂解)。陶瓷瓷砖超出其容量超出其容量的裂纹,可以通过身体传播,并用干净的玻璃状断裂破裂,几乎没有可见的屈服。 铸铁(尤其是灰色铸铁):铸铁是一种金属,但某些成绩却是脆弱的。如果您曾经看过旧的铸铁发动机块或铸铁管道裂缝,则目睹了易碎的断裂。灰色铸铁(以其断裂表面的灰色命名)具有相对较高的碳含量。碳形成石墨片,分布在整个铁基质中。这些薄片的行为就像内部裂缝和强烈的压力集中器,因此金属在破裂之前不会伸展太多。结果,铸铁在压缩方面非常强(均匀支撑时),但在张力或影响不足可能会突然失败。相比之下,延性(结节性)铁是一种改良的铸铁,在该铸铁中诱导石墨形成球形结节(通常是通过镁处理)。它的脆性要小得多,并且会在影响下变形,而不是破碎。我们将在“设计”部分中进一步讨论。 具体的:混凝土看起来像是坚固且岩石状的(而且是),但这是脆弱材料的另一个例子。在压缩下,混凝土非常强大,可以承受很大的负载。但是,在张力(拉或弯曲)下,纯混凝土裂缝很容易。水泥糊和硬矿物聚集体的混合物形成了具有非常有限的塑料流能力的刚性基质,因此很小的拉伸菌株开放的微裂纹可以迅速合并。这就是为什么钢筋混凝土如此普遍的原因:钢钢筋嵌入以携带张力并增加延展性(和韧性)。钢可以屈服和伸展,将截面保持在一起并提供警告(裂缝形成并逐渐扩大),而不是突然的脆性崩溃。 其他脆性材料:还有许多其他例子。如果不调和,高碳或高度硬化的工具钢可能会变脆。文件或非常坚硬的刀片可能会在弯曲时捕捉,因为更高的碳和硬度可减少延展性。石墨,就像铅笔“铅”一样脆弱:其分层结构使飞机滑动留下标记,但在适度的力下,棍子很容易折断。有些聚合物也很脆。聚苯乙烯(用于一次性餐具和旧CD案例中的刚性塑料)倾向于捕捉而不是弯曲。 为什么有些材料脆弱? 要了解脆性,它有助于查看微观和原子尺度上的材料内发生的情况。材料的原子键和微观结构有所不同,这些差异决定了它们对压力的反应。 在结晶金属中,定位的金属键合和移动位错通常会造型流动。当滑动很容易时,应力再分配和裂纹尖端会钝化。如果粘结是高度定向的,或者晶体几乎没有可操作的滑动系统,则可塑性受到限制;应力集中到裂纹成核并繁殖。 然后,微观结构决定裂纹的生长是如何生长的。尖锐的夹杂物,硬第二阶段,毛孔或弱接口充当裂纹的发射地点和途径。温度和应变速率也很重要:较低的温度或更高的应变速率降低了可塑性,将行为推向脆性断裂。环境可以使平衡 - 原子氢加速裂纹,而晶粒结合的降解(例如晶间腐蚀或杂质隔离)可降低沿边界的凝聚力。 简而言之,当塑料适应不足并占主导地位时,勃彩会出现。如果材料无法自由移动脱位或在裂纹尖端下消散能量,则失败是突然的,几乎没有警告。 如何测量或测试脆性? 由于Brittlense是关于材料在压力下的行为(几乎没有变形),因此没有一个“勃贴”数字,您可以像密度或熔点一样抬头。取而代之的是,工程师使用延展性,断裂韧性和影响能量的测试间接表征它。 衡量脆性行为的标准方法之一是拉伸测试。在记录压力和应变时,拉动狗骨标本,以产生应力 - 应变曲线。脆性反应是几乎线性的突然断裂的弹性途径,几乎没有或没有产量区域。两个快速指示器(突破时的延长和降低面积)是延展性的度量(并成反比)。脆性的材料将显示出低伸长率和最小的面积减少(颈部很少或没有颈部)。对于金属,测试设置和报告遵循ASTM E8。 在Charpy V-Notch撞击测试中,摇摆的摆板击中了一个缺口的杆,并且在焦耳的能量中记录了摆能量的损失(来自秋千高度的变化)(j)。低吸收能表示脆弱的反应。高能量表示韧性。由于结果取决于标本的大小和缺口几何形状,因此最好将夏普能量用于比较和温度研究,而不是基本材料常数。在多个温度下进行测试映射延性到脆性的过渡。工程师还阅读了断裂表面:明亮,刻面/裂解特征表明脆性断裂,而暗淡,纤维状的外观表示延性断裂。 另一个关键措施是平面应变骨折韧性(K我知道了),一种骨折的机电参数,可量化材料对裂纹生长的抗性。它是根据预先裂纹标本的精确测试确定的,代表裂纹开始延伸的临界应力强度因子。脆性材料有低k我知道了因此,缺陷差 - 小裂纹会在相对较低的压力下导致失败,而坚韧的延性材料具有较高的k我知道了并且可以直言不讳或逮捕裂缝。工程师使用裂缝 - 阻力数据来设置允许的缺陷大小,并针对服务突然断裂进行设计。 如何防止设计中的脆弱失败 由于脆弱性会导致突然的灾难性失败,因此工程师已经制定了处理策略 - 通过选择不同的材料或修改材料和设计以使脆弱行为降低危险性。 材料选择和处理 […]
几乎我们日常使用的每一种产品,从智能手机到汽车,其起源都可以追溯到制造过程。这些流程不仅决定产品的质量和生产效率,还直接影响企业的成本控制和市场竞争力。在本文中,我们将定义制造工艺,深入研究它们的类别和各种方法。现在让我们开始探索它们的广泛含义!
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