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。
从日常的家居用品到高性能的工业组件,塑料制造有助于塑造我们周围的世界。这些组件的各种形状和功能是使用一系列制造工艺制成的,包括注入成型,塑料挤出,3D打印等。这些方法在塑料部分生产中有什么区别,哪种方法(或组合)最适合您的项目?预算,零件设计,塑料材料和生产量只是选择塑料制造方法时出现的一些因素。本文介绍了11种常见的塑料制造方法,解释了它们的工作方式,益处,局限性和典型应用。
什么是管道线? 管螺纹是螺丝线程专为连接管道和配件而设计。它们允许将管道拧紧在一起,形成一个紧密的压力密封,用于流体或气体。管道线程有两种基本类型: 锥形线直径逐渐减小,形成锥状形状。 平行(直)线沿其长度保持恒定直径。 锥形管螺纹对于实现泄漏密接头尤为重要。当雄性和雌性锥形线被拧紧时,它们会互相楔入并形成压缩拟合度。这种锥形楔子会产生密封和强大的机械固定。但是,即使是经济良好的金属线的间隙也很小,因此通常将密封剂(例如水管工的PTFE胶带或管道涂料)应用于螺纹上,以填充任何空隙并确保完全无泄漏的连接。 另一方面,平行(直(直)管道线不提供密封;他们拧在一起而无需楔入。直线螺纹通常用扁平的洗衣机,O形环或垫圈密封,以防止泄漏。两种类型的线程都是常见的,但是选择取决于应用程序的密封需求。例如,花园软管使用带有橡胶洗衣机的直线来密封,而钢制管道则使用带胶带的锥形线。 什么是Tap Drill图表? Tap Drill图表是一张表格,可以告诉您在敲击线程之前要使用哪个钻头。钻得太大的孔,螺纹将很浅,容易泄漏。钻得太小,在切割过深的螺纹时,水龙头可能会结合甚至破裂。遵循图表可为您提供最佳的线程参与度,通常约为75%,这可以使强度与轻松敲击。换句话说,大约四分之三的全螺纹高度形成,在敲击过程中产生强烈的固定,没有过多的扭矩。在下一部分中,我们将重点介绍北美最常见的管道螺纹标准:NPT:NPT,并为NPT管道TAPS提供全面的Tap Drill图表。 了解NPT(国家管道锥度)线程 NPT代表国家管道锥线。它是美国和加拿大用于管道,空气软管,燃油管线和许多其他应用的标准锥形管线。如果您曾经将PTFE(Teflon)胶带包裹在管道或安装中,那么您很可能已经使用了NPT线。这些线的比例为1:16,这意味着每16英寸长的直径增加1英寸(每英尺约0.75英寸)。相对于管道的中心线,这对应于1.79°半角度。这似乎似乎很小,但是足以确保雄性NPT拟合被拧入女性端口,它们越远,螺纹楔子更紧密,从而产生了自封的干扰。 NPT使用与标准的美国螺纹相同的60°螺纹轮廓,但具有扁平的波峰和根源,以增加强度。在ANSI/ASME B1.20.1中定义了所有临界维度和公差,包括每英寸线(TPI),音高直径限制和线程接合长度。管道尺寸由名义内径(例如½“或¾”)命名,但该数字不能反映实际的外径。例如,¾“ NPT管道的测量约为1.050”。此外,由于诸如BSPT和NP之类的标准共享标称大小,但使用不同的音高或线程表单,因此您必须指定名义大小(以匹配OD)和TPI(以匹配线程螺距)以选择正确的点击或拟合。 为了给出正式的NPT几何感,以½英寸的NPT线程为例:它具有14个TPI和16个锥度的1个。螺纹形式是扁平的60°“ V”,其半角度的圆锥形为1°47'24''(1.7899°),与中心线同样应用于男性和女性线。当您手动安装配件时,大约3-4个线(“ L1尺度长度”)的尺寸很小;然后,使用扳手添加另外1.5-3个“扳手化妆”线以完成密封。 您经常会看到商店的速记,例如“ MIP/FIP”或“ MNPT/FNPT”(雄性/雌性铁管或NPT),以区分外部线和内部线,而ANSI则将其称为外部或内部NPT,但昵称使其很快识别出哪个在商店地面上。 NPT线程如何工作 因为雄性和女性线都是锥形的,因此拧紧它们会产生楔子效果。螺纹侧面互相挤压,形成一个机械强度且非常紧密的关节。您会注意到,只需几回合后,正确收紧的NPT关节就会感到贴合 - 这是锥度完成工作的锥度。不过,NPT线程并不是完全防漏的。螺纹之间存在很小的螺旋间隙,如果您不使用密封剂,则可能会泄漏。这就是为什么安装程序在组装前将雄性螺纹包裹在液体/粘贴密封剂上的雄性线:它可以润滑螺纹并填充微间隙,从而确保气体或水密密封。在燃油气或液压系统中,切碎的胶带可以堵塞阀,技术人员通常更喜欢糊密封剂。 NPT线程的应用 NPT线程在日常和工业环境中无处不在。住宅水和天然气管道依赖于NPT配件来可靠泄漏。气动工具和空气压缩机在软管,阀门和快速连接耦合器上使用NPT连接器。在汽车和重型机械中,NPT配件可为传感器(例如油压发件人)和流体线(制动或冷却液系统)提供,并为其简单起见以及广泛的现成零件而珍贵。由于符合ANSI的水龙头,死亡和配件都遵循相同的规格,因此您可以不用担心混合品牌。这种通用的兼容性使NPT成为北美的首选管道。 NPT Tap Drill图表 当在孔中创建内部NPT螺纹(例如,敲击管道装件或储罐中的一个孔中的孔)时,您必须首先钻一个适当的尺寸孔。由于NPT螺纹是锥形的,因此钻孔通常比水龙头的最大直径小一点,以使水龙头随着锥度的前进而切割锥度。下面是通用管道尺寸的全面NPT Tap钻图: 名义管尺寸(英寸)每英寸线(TPI)点击钻(英寸)抽气钻(mm)线程参与(%)1/16270.2426.15〜75%1/8270.3328.43〜75%1/4180.4375(7/16英寸)11.11〜75%3/8180.5625(9/16英寸)14.29〜75%1/2140.7031(45/64英寸)17.86〜75%3/4140.9063(29/32“)23.02〜75%111½1.1406(1-9/64英寸)28.97〜75%1¼11½1.4844(1-31/64英寸)37.70〜75%1½11½1.7188(1-23/32英寸)43.66〜75%211½2.2188(2-7/32英寸)56.36〜75%2½82.6250(2-5/8“)66.67〜75%383.2500(3-1/4英寸)82.55〜75%3½83.7500(3-3/4英寸)95.25〜75%484.2500(4-1/4英寸)107.95〜75% 笔记: 上面列出的Tap Drill尺寸假定直接敲击而无需转换。线程参与度(%)表示已达到的全线深度的百分比 - 典型的管道螺纹典型,平衡关节强度和敲击扭矩。括号中的钻头大小是标准字母或折射尺寸的标准尺寸(例如1/8-27 NPT使用字母Q钻,0.332“)。 管道水龙头是锥形的,因此您必须深入到足够深的深处以形成正确的螺纹锥度。制造商通常会指定所需的卷入线数,也可以使用NPT插头量表进行验证。定期退缩以清除芯片并在挖掘金属时使用切割液 - 水管水龙头由于直径较大和锥度而去除大量材料。 如果有锥形介孔器,您可以先用1:16锥形铰刀在攻击之前将钻孔钻孔。这会减少敲击扭矩,并可以在孔的末端稍微增加螺纹互动。但是,大多数字段和DIY应用都使用上面显示的直钻和tap方法,该方法提供了足够紧密的接头。 将NPT与其他线程类型进行比较 NPTF(国家管道锥度燃料) 这是一个干密封的锥形管螺纹,通常称为dryseal NPT或管道螺纹燃料。它具有与标准NPT相同的锥度(1:16)和线螺距,也具有60°螺纹角度。关键区别在于螺纹的顶峰和根设计:NPTF线在波峰和根上的间隙为零,从而形成了一种干扰拟合,可将金属对金属固定而无需任何密封剂。这使得NPTF非常适合对超透露率敏感的应用,即使是微小的泄漏或密封剂污染也是不可接受的。尽管NPTF和NPT具有尺寸并将其物理贴合,但仅交配NPTF雄性和女性会产生干密封。 NPTF由ANSI/ASME B1.20.3定义,而标准NPT则使用B1.20.1。 典型用途:高压液压系统;燃料系统;和其他流体功率应用(例如,制动系统组件或燃油轨配件)。 NPS(国家管道直线) 该螺纹标准具有与相应的NPT大小相同的螺纹角,形状和音高,但它是直(平行)而不是锥形的。虽然NPS线将拧到相同尺寸和TPI的NPT拟合上,但其缺乏锥度会阻止楔形密封件,并且可能会泄漏。 NPS线用于机械连接或由O形圈或垫圈等单独元素提供密封的地方。 典型用途:电导管螺纹(通常称为NPSM),消防软管耦合或大型直径水管工会以及燃气灯笼或老式的管道工会,密封垫圈或垫圈会产生密封。 […]
在各种类型的加工过程中,有时我们希望有一种加工方法能够实现刀具与工件之间的非接触。当然,我们会想到放电加工 (EDM)。
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