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。
化学镀镍起源于20世纪中叶。 1944 年,Abner Brenner 博士和 Grace E. Riddell 在研究传统电镀时,意外发现了一种无需使用电流即可将镍沉积到金属表面的方法。这一突破导致了化学镀镍的发展。从那时起,该技术不断发展,其应用范围也不断扩大——从电子和航空航天到石油和天然气、汽车和国防工业。
终极拉伸强度(UTS)是材料破裂前可以承受的最大应力的度量。通常通过进行拉伸测试并记录工程应力与应变曲线的情况。作为一项密集的特性,UTS对于比较张力下的材料的性能至关重要。它可以帮助工程师为必须抵抗拉伸负荷而不会失败的结构和组件选择合适的材料。
想一想金属汤匙。如果您在手柄上轻轻按下,它会弯曲一点,但放手后立即弹回。不过,更努力地推动,勺子会永久弯曲。那时,您已经超越了汤匙的屈服强度。在本文中,我们将探讨屈服强度的含义,与相关思想(如拉伸强度和弹性限制)进行比较,以及为什么在现实世界中它很重要。我们还将研究影响强度和常见材料的典型值的因素。 什么是屈服强度? 屈服强度是材料开始永久变形的应力水平。简而言之,这是材料停止反弹(弹性行为)并以无法完全逆转的方式弯曲或伸展的点。在屈服强度以下,当您卸下力时,材料恢复为原始形状(就像弹簧可以追溯到其长度)。超过屈服强度,材料永远改变了:它已经屈服了,这意味着它已经经历了塑性变形。 为了更好地理解这一点,让我们分解两个关键术语:压力和压力。应力是将力施加到材料除以其横截面区域的材料,或仅仅是材料内部力的强度。您可以将其视为压力,但压力描述了内部反应而不是外部推动。应变是材料在响应中的变化多少,计算为长度的变化除以原始长度。当我们策划压力抵抗压力时,我们会得到一个应力 - 应变曲线这显示了材料随着负载的增加的表现。 在应力 - 应变曲线的早期,材料的行为表现:压力和应变是成比例的(根据Hooke定律的直线),一旦去除负载,材料就会恢复其原始形状。该区域的末端是弹性限制 - 占地,某些变形仍然是永久性的。屈服强度标志着从弹性行为到塑性行为的转变,并定义了可逆变形和不可逆变形之间的边界。 对于许多延性金属,例如低碳钢,这种过渡是逐渐而不是锋利的。为了始终定义屈服强度,工程师经常使用0.2%的偏移方法:他们绘制一条平行于曲线弹性部分的线,但变为0.2%应变。该线相交曲线的点被视为屈服强度。这提供了一种实用,标准化的方法,即使不存在明显的产量点,也可以测量屈服强度。 屈服强度与拉伸强度 正如我们所定义的那样,屈服强度是材料开始永久变形的压力。拉伸强度(通常称为终极拉伸强度(UTS))是材料破裂之前可以承受的最大压力。一旦达到该点,材料将不再承担额外的负载,并且很快就会裂缝。 两者都描述了材料对压力的反应,但它们代表不同的限制:屈服强度标志着永久变形的开始,而拉伸强度则标志着断裂点。例如,在拉动钢棒时,它首先会弹性伸展。超越屈服强度,并实现永久伸长率。继续前进,直到达到拉伸强度为止,杆最终将抢购。 在实践设计中,工程师更多地专注于产量强度,因为组件必须保持功能,而不会造成持久损坏。拉伸强度仍然很重要,但通常标志着失败条件永远不会在服务中发生。 除拉伸强度外,屈服强度还经常与其他两个概念相混淆: 弹性极限:弹性极限是材料可以承受的最大应力,一旦去除负载,仍将完全返回其原始形状。低于此极限,所有变形都是弹性和可逆的。在许多情况下,弹性极限非常接近屈服强度,因此两者通常被视为相同。尽管弹性极限标志着精确的物理边界,但屈服强度提供了标准化的工程值,可以始终如一地测量并用于安全设计。 比例极限:该术语来自应力 - 应变曲线的线性部分。比例限制是遵循胡克定律的压力和压力直接比例增加的点。它通常发生在弹性极限和屈服强度之前。在这一点之外,曲线开始弯曲 - 尽管材料仍然具有弹性,但这种关系不再是完美的线性。 影响力强度的因素 屈服强度无法保持固定 - 它可以根据几种物质和环境因素而改变。这是一些最常见的: 材料组成(合金元素) 金属的构成对其产量强度产生了重大影响。在金属中,添加合金元素可以使它们变得更坚固。例如,当添加碳,锰或铬等元素时,钢的强度也会增强 - 尽管碳也更脆。铝合金从铜,镁或锌等元素中获得强度。这些添加物在金属内部产生了微小的障碍,从而阻止了位错运动(塑性变形的原子级载体),从而提高了强度。简而言之,金属的“食谱”可以使弯曲更难或更容易。这就是为什么苏打中的铝易于柔软而柔软的,而飞机机翼中的铝(与其他金属混合在一起)具有更高的屈服强度。 晶粒尺寸(微观结构) 通常,较小的晶粒意味着更高的强度,这是霍尔 - 格什关系描述的趋势。原因是晶界充当脱位运动的障碍,因此更细的谷物会产生更多的障碍,并使金属更强壮 - 到达一点点。冶金学家通过控制的固化或热机械处理来完善晶粒尺寸。例如,许多高强度的钢和超合金用非常细的晶粒设计以最大化屈服强度,而晶粒非常大的金属往往更容易产生。 热处理 金属加热和冷却的方式可以改变其结构,从而改变其屈服强度。退火(缓慢加热和冷却)软金属,降低其屈服强度,并通过缓解内部应力来使其更具延展性。淬火(在水或油中快速冷却)将结构锁定到坚硬的,压力的状态,大大提高了屈服强度,但也使金属变脆。为了恢复平衡,淬灭通常是回火,一个适度的加热步骤,可改善韧性。 通过选择正确的热处理,制造商可以根据应用使金属更难或更柔软。例如,对弹簧钢进行处理以达到高屈服强度,因此它可以弯曲而不会变形,而钢丝首先要退火以易于塑形,然后再加强。 制造过程(冷工作) 如何机械处理材料也可以改变其屈服强度。冷工作(在室温下变形金属,例如冷滚动或冷图)通过称为工作硬化的机制提高了强度。当您将金属变形时,您会在其晶体结构中引入错位和纠缠,这使得进一步变形更加困难 - 实际上,金属随着变形而变得更强壮。这就是为什么在热卷(不工作)条件下,冷滚动钢通常比同一钢具有更高的屈服强度。 温度和环境 根据经验,大多数金属在高温下会失去屈服强度。热使金属变软,因此可以用较小的力变形。在非常低的温度下,有些材料变得更加脆弱。它们塑性变形的能力降低了,因此尽管屈服应力在技术意义上可能会增加,但它们比产量更有可能破裂。 诸如腐蚀或辐射等环境因素也会降解材料。腐蚀会产生凹坑或减少横截面区域,从而有效减少结构在屈服之前可以承受的负载。例如,生锈的钢梁在载荷下可能会产生的厚度比未腐蚀的束较低,因为其有效厚度会降低,并且来自锈蚀的微裂缝会浓缩压力。 产量不同材料的强度 应力 - 应变曲线提供了一种简单的方法来比较不同材料对负载的反应方式。在上图中,我们可以看到四个典型的行为。随着压力的增加,每个反应都不同,其屈服强度反映了这些差异。 脆性材料:脆性材料,例如玻璃或陶瓷,几乎没有塑性变形。他们沿着几乎直线直线直至突然断裂。他们的屈服强度非常接近他们的最终力量,因为他们并没有真正“屈服” - 它们中断。 强但不是延性材料:某些材料(例如高强度钢)可以承受高应力,但显示有限的延展性。它们具有很高的屈服强度,这意味着它们可以很好地抵抗永久性变形,但是在破裂之前并没有伸展太多。 […]
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