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。
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。
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。
如果您开始使用 3D 打印,您很快就会遇到不同的 3D 文件格式。最常见的两个是STL和对象。它们之间有什么区别,您应该使用哪一个?在本文中,我们详细比较了 STL 与 OBJ,涵盖了两者的优缺点。最后,您将知道哪种格式最适合您的需求以及原因。 什么是STL文件? STL(立体光刻或标准镶嵌语言)是消费级 3D 打印的事实上的标准。它于 20 世纪 80 年代末由 3D Systems 引入,作为描述立体光刻机模型的一种方式。 STL 文件仅描述对象的表面几何形状,将其分解为微小三角形的网格。每个三角形由三个顶点和一个指向外部的法向量定义。 STL 是一种精简格式:它仅捕获对象的形状,没有颜色、纹理或材质数据。它也不包含单位,因此数字是否代表毫米或英寸取决于惯例(大多数切片机假设毫米)。 STL 文件可以以两种形式保存:ASCII(文本)或二进制。两者都存储相同的数据,但二进制版本更加紧凑。实际上,由于 STL 的简单性,几乎所有 3D 打印机和切片软件都支持 STL。如果您从 Thingiverse 等公共库下载模型,它们通常以 STL 格式提供。然而,这种简单性也带来了一些限制,我们将很快讨论。 什么是 OBJ 文件? OBJ(通常称为 Wavefront OBJ)是另一种广泛使用的 3D 文件格式,最初由 Wavefront Technologies 于 20 世纪 80 年代为其 3D 图形软件开发。如今,它不仅已成为计算机图形和动画领域的常见格式,而且还成为 3D 打印领域的常见格式。 OBJ 可以存储具有任意数量顶点的多边形,甚至可以存储平滑的数学曲线,例如 […]
剪切模量,有时称为刚性模量,是一种基本材料特性,可在受剪切力时测量材料的刚性。用日常的话来说,它描述了一种物质在与另一部分平行滑动时塑造变化的耐药性。在本文中,我们将解释什么是剪切模量,计算方式以及与其他弹性模量的比较以及现实世界工程示例的比较。 什么是剪切模量? 在图中,将块固定在底部,同时平行于顶表面施加力F。该力导致水平位移ΔX,块变形为倾斜的形状。倾斜角θ表示剪切应变(γ),它描述了形状的变形程度。 剪切应力(τ)是施加的力除以表面积A的作用:力的作用: τ= f / a 剪切应变(γ)是水平位移与块高度的比率: γ=ΔX / L(对于小角度,弧度中的θ≈γ) 剪切模量(g)有时用μ或s表示,可以测量材料对这种类型的失真的耐药性。它被定义为剪切应力与剪切应变的比率: g =τ /γ=(f / a) /(Δx / l)=(f·l) /(a·Δx) 在SI系统中,剪切模量的单位是Pascal(PA),它等于每平方米牛顿一个(N/m²)。由于Pascal是一个很小的单元,因此实心材料的剪切模量通常很大。因此,工程师和科学家通常在Gigapascals(GPA)中表达G,其中1 GPA =10⁹PA。 剪切模量值 下表显示了常见材料的典型剪切模量值: 材料剪切模量(GPA)铝26–27黄铜35–41碳钢79–82铜44–48带领5–6不锈钢74–79锡〜18钛(纯)41–45具体的8–12玻璃(苏打石)26–30木材(道格拉斯冷杉)0.6–1.2尼龙(未填充)0.7–1.1聚碳酸酯0.8–0.9聚乙烯0.1–0.3橡皮0.0003–0.001钻石480–520 这些数字显示了刚性有多少材料。金属倾向于在数十千兆内的剪切模量。陶瓷和玻璃的范围相似,而混凝土却低一些。塑料通常大约1 GPA或更少。甚至更柔软的是橡胶和弹性体,仅在巨型范围内具有剪切模量。在最顶部,钻石达到了数百个千斤顶,是最僵硬的材料之一。 具有高剪切模量的材料强烈抵抗变形或扭曲。这就是为什么钢和钛合金在桥梁,建筑物和飞机框架等结构中至关重要的原因。它们的刚度可防止横梁和紧固件在重载下弯曲或剪切。玻璃和陶瓷虽然脆弱,但也受益于相对较高的模量。它可以帮助他们在镜头和半导体晶圆等应用中保持精确的形状。钻石具有很高的剪切模量,即使在大力下,也几乎没有弹性应变。这就是为什么钻石切割工具保持锋利的原因。 另一方面,当灵活性是一个优势时,选择具有低剪切模量的材料。橡胶和其他弹性体用于振动阻尼器,密封件和地震底座隔离器,因为它们的柔软度使它们可以轻松剪切并吸收能量。聚合物(例如聚乙烯或尼龙)在柔韧性和强度之间取得了平衡,这就是为什么它们被广泛用于轻质结构和耐冲击的部分。即使是木材等天然材料也会显示出强烈的方向差异:在整个谷物上,其剪切模量也远低于其沿谷物,并且建筑商需要考虑到这一点,以免在剪切力下裂开。 剪切模量计算 可以使用不同的测试方法来确定剪切模量G,并且选择取决于材料以及您是否需要静态还是动态值。对于金属和其他各向同性固体,一种常见的方法是在杆上或薄壁管上进行静态扭转测试。扭转角与施加扭矩的斜率给出了G。ASTME143指定了结构材料的室温程序。 对于动态测量,可以使用扭转摆:测量样品 - 质量系统的振荡周期,并将其与(复杂的)剪切模量相关联。 ASTM D2236是描述这种塑料方法的旧标准。 对于纤维增强的复合材料,使用V-网状方法(例如ASTM D5379(iosipescu))和ASTM D7078(V-Notched Rail剪切)获得了平面内剪切模量。 ASTM D4255(轨道剪切)也广泛用于聚合物矩阵复合材料。 请注意,ASTM A938是用于评估扭转性能的金属线的扭转测试(例如延性);它不是确定G的标准方法。 有时G不会直接测量G,而是根据其他数据计算得出的。用于各向同性材料杨的模量e和泊松的比例ν, g = e 2 (( 1 + […]
数控铣削是应用最广泛的自动化减材制造技术之一。在此过程中,自动换刀装置在不同铣刀之间无缝切换,以高精度从工件上去除材料。为每项任务选择合适的铣刀对于实现效率、准确性和高质量结果至关重要。
عربي
عربي中国大陆
简体中文United Kingdom
EnglishFrance
FrançaisDeutschland
Deutschनहीं
नहीं日本
日本語Português
PortuguêsEspaña
Español