硬度

       硬度测量主要有三种类型：划痕硬度、压入硬度、回跳硬度。每一种类型都有其各自的测量标尺。实际问题中可用转换表在一个标尺和另一个标尺之间进行转换。

2.1 划痕硬度

      划痕硬度是指测量样品受锋利物体摩擦时，其抵抗断裂或永久塑性变形的能力。^[1]其原理是较硬材料制成的物体会划伤较软材料制成的物体。测量涂层硬度时，划痕硬度指的是将薄膜切割到基底上时所需的力。最常见的划痕硬度测试是用于矿物学的莫氏硬度标尺。该测试所用的一种测量工具是硬度计。该测试的另一种测量工具是袖珍硬度测试仪。该工具由一个带有联接在四轮车上的刻度标记的标尺臂组成。带有锋利边缘的刮削工具以预定角度安装在测试表面上。使用时，一个已知质量的重物被加到有刻度标记的标尺臂上，然后刮削工具就会在测试表面上留下划痕。在不需要复杂机械的情况下，使用重物和标记允许施加已知力。^[2]

2.2 压入硬度

       压入硬度是指测量样品受到锋利物体恒定负载时抵抗变形的能力。压入硬度测试主要用于工程和冶金领域。测试工作的基本前提是测量由特定尺寸和载荷压头留下的压痕的临界尺寸。常见的压入硬度标尺有洛氏硬度、维氏硬度、肖氏硬度和布氏硬度等。

2.3 回跳硬度

        回跳硬度也称为动态硬度，是指测量金刚石重锤从固定高度掉落到材料上时“弹起”的高度。这种硬度与被测材料的弹性有关。回跳硬度的测量装置称为硬度计。^[3]测量回跳硬度的两种标尺包括里氏回跳硬度测试和班尼特硬度标尺。

       强化过程有五种：霍尔-佩奇强化、加工硬化、固溶强化、沉淀强化和马氏体转变。

      在固体力学中，固体通常对力有三种反应，这取决于力的大小和材料的类型:

• 弹性——固体暂时改变形状的能力，但在压力消失后又恢复原状。弹性范围内的“硬度”——给定压力下形状的微小临时变化——在给定物体的情况下称为硬度，在给定材料的情况下称为高弹性模量。
• 塑性——固体在外力作用下永久改变形状的能力，但始终保持一体。屈服强度是弹性变形与塑性变形的转变点。由应力-应变曲线可知，塑性范围内的变形是非线性的。如材料科学中所描述和测量的那样，塑性使材料产生了可观察到的划痕和压痕硬度。一些材料在经历塑性变形时同时表现出弹性和粘性，这叫做粘弹性。
• 断裂——固体分裂成两块或更多块。

       强度是对材料弹性范围或弹性和塑性范围的度量。根据受力方向被分为抗压强度、剪切强度和抗拉强度。极限强度是对特定材料和几何形状局部所能承受的最大载荷的工程量度。

      在科技应用中，脆性是指材料在很少或没有可检测到的塑性变形的情况下发生断裂的趋势。因此，从技术角度上来说，一种材料可以既脆又强。在日常使用中，“脆性”通常指的是材料在少许力的作用下断裂的趋势，这在技术意义上表现为脆性和强度不足。对于完全脆性材料，屈服强度等于极限强度，因为它们不会经历可检测到的塑性变形阶段。脆性的对立面是延展性。

      韧性是指材料在断裂前所能吸收的最大能量，这与所能施加力的大小不同。脆性材料的韧性往往较小，因为弹性和塑性变形允许材料吸收大量能量。

       硬度随着晶粒尺寸减小而增加，这就是所谓的霍尔-佩奇关系。然而，在临界晶粒尺寸以下，硬度随着晶粒尺寸的减小而降低。这被称为反霍尔-佩奇效应。

       材料对变形的硬度取决于其在任意方向上的微观耐久性或微观剪切模量，而不取决于刚度，例如其体积模量或杨氏模量。刚度经常与硬度混淆。^[4][5] 有些材料(如锇)的刚度大于金刚石，但硬度不及金刚石，并且容易剥落并且呈鳞片状或针状。

4.1 机制和理论

       理解硬度机制的关键是理解金属微观结构，或者理解原子在原子水平上的结构和排列。事实上，对当今商品制造至关重要的金属性能是由材料的微观结构决定的。^[6] 在原子层面上，金属中的原子排列成有序的三维阵列，称为晶格。然而，实际上，一个特定的金属样本可能永远不会是一致的单晶晶格。特定的金属样品包含许多晶粒，每个晶粒具有相当一致的阵列图案。在更小的尺度上，每个晶粒都是不规则的。

       晶粒水平上的微观结构有两种不规则性：点缺陷和线缺陷，它们决定了材料的硬度。点缺陷是指位于晶粒整个三维晶格内部的单个晶格位置的不规则性。主要的点缺陷有三种。如果阵列中缺少一个原子，就会形成空位缺陷；如果晶格结点上的原子被不同类型的原子（通常是金属原子）占据，就会形成置换缺陷；如果在正常情况下不应该存在原子的位置存在原子，就会形成间隙缺陷。晶格中的原子间隙提供了这种可能性。点缺陷是晶格中单个位置的不规则性，而线缺陷是原子平面上的不规则性。位错是一种涉及这些平面错位的线缺陷。刃型位错中，半原子面楔入两个原子面之间。螺旋位错中，两个原子平面偏移，螺旋阵列在它们之间延伸。^[7]

       在玻璃中，硬度与网络原子之间作用的拓扑约束量呈线性关系。^[8] 因此，刚性理论可以用来预测成分的硬度值。