硬度定义

什么是硬度？

硬度（与软度相对）是衡量材料抵抗局部塑性变形的能力，这种变形是由机械压痕或磨损引起的，常用于材料研究。不同材料的硬度不同；例如，钛和铍等硬金属比钠和金属锡等软金属或木材和日常塑料更硬。强大的分子间连接是宏观硬度的常见特征。尽管如此，由于固体材料在应力下的行为非常复杂，因此硬度可以通过多种方法进行评估，包括划痕硬度、压痕硬度以及回弹硬度。延展性、弹性刚度、塑性、强度、应变、韧性、粘弹性以及粘度都会影响硬度。与软物质相比，陶瓷、混凝土、某些金属和超硬材料是硬物质的典型例子。

如何测量硬度

压痕、划痕和回弹是三种基本的硬度评估形式。每种测量类别都有特定的测量标尺。在实际应用中，当在不同标尺之间转换时，会使用转换表。

1. 压痕硬度

材料在一定力作用下抵抗压入或穿透能力的称为压痕硬度。它通常通过在材料表面施加一定的载荷并保持一定时间，然后用硬物体（如钢球或金刚石压头）压入材料表面来确定。维氏硬度试验、布氏硬度试验和洛氏硬度试验是最流行的三种压痕硬度试验。布氏试验使用淬火钢球在材料表面产生圆形压痕，而维氏试验则使用金刚石压头产生方形压痕。洛氏试验使用钢球、金刚石锥或圆盘。通过压头在材料表面产生圆形压痕。洛氏试验使用钢球或金刚石锥作为压头来评估压痕的深度。

压痕硬度是材料的一个重要力学特性，常用于描述和比较不同材料的硬度。对于因易碎或薄而无法使用常规方法（如拉伸强度或弯曲强度）进行硬度测试的材料尤其有用。

2. 划痕硬度

材料抵抗更硬的材料或物体刮擦或磨损的能力称为划痕硬度。与压痕硬度不同，划痕硬度评估材料抵抗大面积刮擦或磨损的能力，而不仅仅是单一接触点。莫氏硬度标尺、努氏硬度试验和洛氏划痕试验是可用于量化划痕硬度的一些技术。莫氏标尺根据矿物抵抗刮擦的能力，将矿物分为 1 到 10 的定性范围，10 是最硬的矿物（金刚石）。努氏试验使用金刚石或金字塔形的压头刮擦一个很小的、预定的区域。

相比之下，洛氏划痕试验使用碳化钨笔尖刮擦材料表面。耐刮擦性是材料的一个重要属性，特别是对于在加工或使用过程中会受到磨损或刮擦压力的材料。例如，它们抵抗刮擦的能力极大地影响涂层和表面处理的寿命和性能。许多产品的设计和生产，包括电子显示器、汽车零部件和医疗设备，这些产品的表面材料必须能够承受磨损和损坏，这些都取决于材料的耐刮擦性。

3. 回弹硬度

回弹硬度是基于一个小物体落到材料表面上的回弹能量来测量材料硬度的一种方法。它也被称为动态硬度或肖氏硬度。这种硬度测量方法基于这样的理念：更硬的表面比更软的表面能够以更大的能量弹回落下的物体。肖氏硬度计试验是测量橡胶、塑料和弹性体硬度最常用的回弹硬度试验。肖氏硬度计试验使用一种便携式设备，该设备带有一个弹簧加载的压头和一个细长、尖锐的尖端。当仪器被推到材料表面时，压头被释放，然后弹开。通过测量回弹能量来确定硬度值，然后将其表示为肖氏硬度标尺上的一个数字。回弹硬度通常被用作一种快速无损的替代方法，用于评估对于标准硬度测试技术来说太薄、太小或太易碎的材料的硬度。由于回弹硬度不如压痕硬度或划痕硬度测试方法准确，因此它只能用作识别硬度值相似材料的筛选技术。

硬度的物理原理

物质抵抗其他物质变形、刮擦或穿透的能力称为硬度。硬度背后的复杂物理原理取决于多种因素，包括材料的强度和结构、压头或刮痕器的类型和形状以及施加的应力或力。物质的硬度通常与其内部原子结构以及保持其原子结合的牢固程度相关。由于断裂共价键非常困难，因此具有强共价键的材料（如金刚石）具有很高的硬度。具有较弱金属键（如铜或铝）的材料的硬度较低。材料的内部结构在载荷或力的作用下会发生变形，材料通过弹性变形或塑性变形来抵抗这种变形。

当物质发生弹性变形时，它会暂时变形，在载荷移除后恢复到其原始形状，而材料则以塑性方式发生永久变形。压痕硬度试验、划痕硬度试验和回弹硬度试验等方法都基于材料变形及其抵抗变形或穿透的能力的原理，但这些只是衡量材料硬度的几种方法。由于不同的压头或刮痕器可能会导致不同形式的变形或损坏，因此这些试验中使用的压头或刮痕器的类型和形状也会改变测得的硬度值。硬度的物理原理是理解和定义材料力学行为的关键属性。它涉及材料结构、变形类型和施加的载荷或应力之间复杂的相互作用。

硬度和应力-应变曲线之间的关系

应力-应变曲线则描绘了材料对外部力的反应，并详细说明了其整体力学行为。该曲线描绘了施加的应力与材料中产生的应变之间的关系。它可以提供有关材料的屈服强度、极限强度、断裂行为以及弹性与塑性变形行为的详细信息。尽管硬度和应力-应变曲线表征了材料力学行为的独立方面，但它们之间可能存在某种关联。例如，硬度较高的材料通常具有较高的屈服强度、极限强度以及更高的抗断裂或塑性变形能力。然而，根据材料的结构、成分和其他特性，硬度与应力-应变行为之间的关系会有所不同。