什么是材料硬度?如何比较不同的工程材料
产品开发过程包含几个小过程,其中材料的选择是最关键的。
每种材料都有不同的机械性能和能力。为了做出正确的材料选择,您需要确定零件将经历的负载条件类型。例如,如果您要设计一个会与其他组件接触或承受冲击载荷的零件(或组件),那么您需要选择具有足够材料硬度的材料。
但究竟什么是材料硬度,如何测量?本文回答了这些问题以及更多问题。
什么是材料硬度?
材料硬度 是材料承受集中施加载荷引起的局部塑性变形的能力。
这样看。当我们说一种材料具有很高的硬度时,它仅仅意味着该材料可以在存在诸如划痕、压痕和磨损等外力的情况下保持其形状。因此,钛和金刚石等材料的硬度会高于塑料。
在比较钻石和塑料时,您可能会凭直觉知道哪种材料的硬度更大。但是,当您要在密切相关的金属(或合金)之间进行选择时,除非您对它们进行硬度测试,否则几乎总是不可能做出正确的猜测。
有几种测试材料硬度的方法。但在我们讨论这些方法之前,您必须先了解材料硬度的类型。
材料硬度的类型
以下是材料硬度的三种类型:
- 压痕硬度
- 划痕硬度
- 回弹硬度
压痕硬度 指材料在承受连续载荷时抵抗永久变形的能力。相比之下,划痕硬度 描述了一种材料抵抗由于与另一种金属接触而划伤其表面的能力。最后,回弹硬度 与材料的弹性有关;它描述了材料吸收冲击能量的能力。
一旦您知道您的零件将经历的负载(或环境)条件类型,您就可以考虑以下任何一种硬度测试方法来比较您的材料选项。如果您有必要的设备,您可以完成这些测试。或者,您可以依赖供应商提供的信息和 Matweb 等在线资源,其中列出了各种材料的属性。
如何测试材料的硬度:4 种测试方法
方法 #1 布氏试验
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来自 Wikimedia Commons 的布氏硬度测试仪。
布氏测试测量材料的压痕硬度 .该测试方法使用压头(通常是硬化钢球)在测试件上产生压痕。在此测试方法中,您将在指定时间段内将预定义的力施加到球(和材料表面)之前将压头固定到位。
接下来,根据材料上形成的压痕大小为材料分配布氏硬度值。您可以使用显微镜测量压痕并使用以下方法计算布氏硬度值:
地点:
HB =布氏硬度 (kg/mm2)
P =力(以牛顿为单位)
D =压头直径(以毫米为单位)
d =压痕直径(以毫米为单位)
但是,请记住,您将在压头上施加的预定义力取决于您要测试的材料。例如,质量控制专家通常对钢铁等硬质金属使用 3000 公斤(或 30,000 牛)的标准载荷。相比之下,对于铜和黄铜等较软的材料,您应该施加 500kg(或 5000 N)的载荷。
方法 #2 洛氏硬度测试
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操作者进行洛氏硬度测试
与布氏硬度测试一样,洛氏硬度测试也用于压痕硬度 测量,通常涉及使用压头(通常是钢球或球形金刚石尖锥)。
但是,在布氏硬度测试中,您通过在施加主要测试负载之前施加较小负载(通常为 10 kg 或 100 N)将压头固定到位。然后,在去除主要负载后,在较小负载仍然打开的情况下测量压痕深度。
然后可以使用不同的洛氏硬度标尺(A、B、C 等)读取硬度值。理想的刻度取决于所用压头的类型和施加在材料上的测试载荷。例如,假设您要测量钢合金的硬度;您将不得不使用最大负载为 140 kg 的金刚石锥形压头。在这种情况下,您将读取“C”刻度上的硬度值。
对于铜合金等较软的金属,质量控制专家使用金刚石钢球(主要负载高达 100 公斤)并读取“B”标尺上的硬度值。
方法#3莫氏硬度测试
莫氏硬度测试是测量耐刮擦性的理想选择 的一种材料。在此测试方法中,您使用具有预定义硬度的参考材料刮擦要测试的材料表面。硬度值用莫氏硬度表表示,它由10种被赋予任意硬度值的矿物组成。
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在艾伦的工厂直销店查看完整的莫氏硬度表
Alan’s Factory Outlet 有莫氏硬度表(上图),您可以在上面看到各种金属的耐刮擦性示例。
方法#4 肖氏硬度计硬度测试
肖氏硬度计是一种用于测量材料回弹硬度的设备 .该设备具有安装在支架上的刻度玻璃管。要确定您的材料的回弹硬度,您需要通过玻璃管将钻石头锤落到材料上。
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安装在三脚架上的 Shore Scleroscope 的示意图。来自维基共享资源。
硬度值与锤击试件后弹回的高度成正比。例如,硬度较高的材料比硬度较低的材料会产生更大的回弹高度。
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