深度解析材料硬度:项目选材成功的关键洞见

零件所用材料适配性对其在预期环境功能发挥至关重要。材料硬度是决定材料项目适配性的关键指标之一。它决定项目是否需高硬度材料如钢,或较软材料。
我们都知道项目用错材料可能造成灾难性后果,尤其是生产零件是大型项目一部分时。因此生产前评估材料硬度不可或缺。
若需耐高压痕或耐磨不变形材料,应选硬质材料。但高硬度材料不一定适配所有项目。需咨询专业加工公司知晓哪种适配您项目。
什么是材料硬度?
材料硬度是材料抵抗力而不变形、划伤、穿透、压痕的能力。换言之,材料在外力作用下保持物理特性的能力。
不同材料硬度差异大,钢等材料硬度高于锡等。木材、塑料等非金属材料也具软金属特性。
材料硬度取决于多因素:塑性、弹性刚度、延展性、韧性、应变、强度、粘弹性、粘度等。
材料硬度有哪些类型?
材料不同工况表现不同。如材料可能承受巨大一次性冲击,却不耐持续载荷。因此须按项目需求测试材料硬度。
材料硬度可分三类。材料在不同硬度类型下数值不同。包括:
- 划痕硬度
- 回弹硬度
- 压痕硬度
划痕硬度
机加工师定义划痕硬度为材料抵抗表面划痕能力。划痕是材料表面窄连续线条。当更锋利、更刚性材料划过较软材料表面,造成表面划痕。

机加工师用划痕测试脆性材料如陶瓷。某些材料虽不达塑性变形,但不耐划痕。某些设计对划痕敏感,需高划痕硬度材料。
例:机器某部件需摩擦。用低划痕硬度材料可能不足。因微小摩擦材料失去光滑表面,最终影响机器整体功能。意味着频繁维修增支出。通过划痕硬度测试可预防:知材料能否耐摩擦保持光滑表面。
回弹硬度
同义词动态硬度,属弹性硬度而非塑性硬度。弹性硬度指材料不永久变形,仅外力作用下失去形状。外力移除自动恢复原形。塑性变形则不可恢复。故回弹硬度偏弹性硬度。

回弹硬度要求材料吸收冲击能量并返还压头。机加工师用压头测试回弹硬度。压头材料已知硬度,机加工师以此比对被测材料硬度。
可用金刚石尖锤落于材料测回弹/动态硬度。测锤击表面后反弹高度。若锤反弹接近原落高,材料回弹硬度值高。反之若锤未达原高,回弹硬度低。
压痕硬度
机加工师用压痕硬度测定材料抗变形硬度。需持续载荷压入被测材料形成印痕。机加工师按材料和目的在显微和宏观尺度执行压痕硬度测试。

工程师和冶金学家谈材料硬度时,常指压痕硬度. 测量材料压痕值让您知晓材料变形前能承受多少载荷。
材料硬度计量单位?
机加工师常混淆硬度SI单位与压强。前者SI单位N/mm²即帕斯卡。后者SI单位N/m²或kg·m⁻¹·s⁻²。
前文各硬度类型有不同测量标度。单位源自各测量法,不宜直接比较。但有换算表可对比。说"勉强"因比较不可能100%准确,但给合适指示。
常见硬度测量单位含布氏硬度值(HB)、洛氏硬度值(HRA、HRB、HRC等)、里氏硬度值(HLD、HLS、HLE等)、维氏硬度值(HV)。下表对比测量方法。

如何测试材料硬度
各硬度类型测试法不同. 以下为各硬度测试方法:
布氏试验
机加工师常用的常见硬度测试. 首先机加工师熟悉测试机. 调整显示器所有必要设置再测试.
原理:用10mm直径钢球在试件压出印痕. 计算印痕得材料布氏硬度数.
机器降钢球压材料形成压痕保持约30秒. 机加工师施力于球. 被测金属种类定力大小.
某些金属需500kg载荷,某些需标准3000kg. 压头移除后,工程师用低倍显微镜观测测尺寸. 裁剪其他区域,计算直角处测量平均值.
测试完成,机加工师用布氏硬度计算公式算硬度数.

其中,
F — 力,N
D — 压头直径,mm
d — 压痕直径,mm
洛氏硬度试验
另一常见硬度测试. 被测材料定标尺类型.
有30种不同标尺可选;可选任何适配材料的. 但最常用"B"和"C"标尺.
测试员先施加初始载荷再施试验载荷. 初始载荷帮助适当固定压头入试样、消除表面不规则获更准结果.
再降压头入材料施主载荷形成印痕. 测印痕定硬度. 测试员算永久压痕深度增量(相对初始载荷)得硬度值.
洛氏硬度公式:

其中,
N — 视标尺而定的标尺因子
s — 视标尺而定的标尺因子
d — 相对初始载荷的永久压痕深度,mm
维氏硬度试验
另一硬度测量法. 更适合需较小载荷软材料. 若需软材料更高精度,维氏测试最佳.
维氏用单一金刚石压头测所有材料,简化计算.
测试员先熟悉机器再开始. 试件置机器上用显微镜找合适高度. 看屏幕图像定正确位置. 图像更聚焦即设好.
金刚石压头降入试件保持特定周期.
提起压头用下式算压痕值:

其中,
F — 力,N
d — 压痕对角线,mm
莫氏硬度试验
若测划痕硬度,此法适用. 传统法用已知硬度参考材料划试件. 莫氏硬度用十种不同硬度参考材料. 被测材料定参考材料种类. 给试件分配数值硬度得结果.
滑石最软,值1. 金刚石最硬,值10.
现代莫氏硬度测试用洛氏金刚石压头. 机器工作原理似传统法. 施适当载荷划试件特定周期.
肖氏硬度计试验
可用肖氏硬度计定材料回弹硬度. 将中空竖直玻璃管接支架执行. 将金刚石锤穿管落试件. 锤弹起,测记录弹高. 硬度高材料弹高,软材料弹低.

材料硬度对照表
材料硬度对照表是确定一些流行材料硬度最简便方式之一. 表用各测量法给出各材料硬度值. 如上表显示铝、钛等金属用布氏标度等测量法硬度值. 这样若用列表材料无需自行评估原料硬度.

但须确保所用图表在标准条件下评估.
结语
欲为项目选合适材料,做适当材料硬度测试必不可少. 测材料硬度有多种途径. 咨询专家公司获材料硬度专业建议.
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