材料越硬越耐磨嗎？

01-06

最近在學機械工程材料，鋼通過很多方法提高表面硬度提高耐磨性。然後想問一下是不是所有材料都是越硬越耐磨，比如鞋底是不是軟和耐磨不可兼得呢？

對於純物質材料來說，的確是這樣的：越硬的材料越耐磨。

這裡首先要了解材料的耐磨與否是如何定義的。通常情況下，實驗室測量某種材料的耐磨性能會用下面這台儀器：

其基本原理也非常簡單，就是用一種硬度很高的材料作為參照材料（一般用沙子），與被測材料相互摩擦，然後測量被磨掉的材料的量。當然，耐磨性很差的材料會被磨掉很多，而耐磨性能好的材料被磨掉的就會比較少。

至於硬度，對於純物質材料來說硬度越大，強度越高，微觀上分子（原子）間的鍵接越強，那麼原子被外力剝離的可能性就越低，自然就更耐磨。文獻中已經對很多純物質材料做過實驗，硬度和耐磨度之間甚至存在一個完美的線性增長的關係。

然而凡事總有例外，尤其對於我們當今世界來說，純物質材料已經遠遠不能滿足人類社會的需要，而我們生活中的大部分材料，都是複合材料，包括高分子復材，合金等等。人類通過把不同的物質混合在一起再進行加工，獲得了純物質材料遠遠無法企及的優良性能，但是在這個過程中，隨著材料變得越來越複雜，從材料各種性能之間的關係就變得越來越不確定，要研究諸如耐磨性和硬度間的關係，單單從強度方面入手就顯得遠遠不夠，還要考慮包括成分，顯微結構等更多維度的變數。這裡舉一個非常簡單且有普遍性的例子，就是鋼。

首先要解釋一下材料的硬度是如何測量的，比如下圖：

通常，我們用一個壓頭把材料的表面壓出一個壓痕，測量壓痕大小換算成硬度。軟的材料壓痕大，硬的材料壓痕小，嗯~非常講道理的一個測試方法。

以上我們通常把它叫做顯微硬度，但這裡的測量有一個問題，就是完全沒有考慮這個硬度是由材料的哪些組成部分貢獻的，比如工具鋼和鉻合金鑄鐵，用這個方法測量硬度都是600 BHN，但是這兩種材料的顯微結構完全不同。

如上圖所示，左邊圖（a）的是工具鋼的顯微照片，整個材料都是等大的晶粒，而每個晶粒的硬度幾乎一樣，所以這個600 BHN基本就是這個材料任何一個地方的硬度；但是右邊的圖（b）的鉻合金鑄鐵則完全不同，它裡面均勻分布了大量的碳化鉻，這些小顆粒非常的硬，可以達到1200 HBN，而鑄鐵的基體卻及其軟，只有不到200 HBN，所以對於鉻合金鑄鐵來說，這600 HBN來自於基體和碳化鉻的加權平均。

所以可想而知，即便硬度相同，（a）圖中的材料耐磨性能只能達到（b）圖中材料的1/5，因為即使（b）的基體非常軟，大量分布的堅硬的碳化鉻顆粒才是耐磨的主力軍。

因此，顯微硬度通常也被叫做宏觀硬度，反應的是材料的宏觀性能而忽略了很多微觀結構的信息，這也是我們使用宏觀硬度衡量不同材料間性能會出現bug的原因。

另外，對於複合材料，即便硬度能夠提高耐磨性，這兩者之間的關係也非常複雜，不是一兩個公式就能解決的。比如一種WC-Co合金，通過處理可以獲得不同大小的晶粒和硬度，這裡選擇四個晶粒尺寸作為比較組：

然後做耐磨實驗，再把結果和硬度作比較，可以得到以下結果：

可以看到硬度提高對於耐磨性的加成已經遠遠不像純物質材料那樣簡單地呈線性關係，在低硬度範圍內甚至沒什麼明顯效果，而到了高硬度範圍又變成指數級增長。而且，通過比較（a）、（b）、（c）、（d）的趨勢，可以看到晶粒大小的顯著影響。

另外，如之前所說，測量耐磨性能通常採用的都是ASTM的標準方法，而標準方法其實有很多種，各有各的側重點。所以不同方法測量的出來的材料耐磨性可能都完全不一樣，所以，在比較這些複雜的數據時，一定要小心。

綜上，對於我們生活中的各種材料，在理論上硬度和耐磨性的確是呈正相關，當然也不乏例外。而且比較不同材料間的硬度和耐磨性時，一定要同時考慮材料成分，顯微結構，處理過程，甚至是測量方法對結果的影響。否則，直接下結論地認為越硬越耐磨，一定會出現bug。

耐磨單指莫式硬度

布氏洛氏等一堆壓入硬度定義方法和莫氏硬度這種劃痕硬度還是有區別的

兩個之間有沒有換算關係，我就不大清楚了

感覺沒有必然關係吧至少對於高分子來說橡膠就耐磨但是硬度比較低啊

高票答案已經講的很好了。

小小補充一下。

我們一般認為硬度與磨粒磨損直接相關。

但磨損有很多種形式。像粘著磨損、氧化磨損、擴散磨損、腐蝕磨損、微動磨損等等。材料磨損與失效的方式相關的因素就變得複雜了。

印象中材料耐磨性與硬度、楊氏模量和斷裂韌性之間有一個經驗公式，以前在書上看到過，記不太清了。歡迎指正～

當然不是這樣，不同的橡膠材料性能是不一樣的，耐磨性也不同，而硬度是可以控制的，也並不是軟的東西就不耐磨

剛學過《金屬塑性加工原理》，裡面有講過金屬硬度越高，耐磨性越好，當然，這是在同種物質內的比較，不同的物質有不同的特性，不能一概而論

鋼的耐磨損能力，除了與硬度有關外，還和楊氏模量、組織結構、韌性等有關。因磨損有許多種，如磨粒磨損、黏著磨損等，所以不能單純的認為鋼的硬度越高越耐磨。至於鞋底，它不屬於鋼材類，而是非金屬材料，這就不能與鋼類似，更不是越硬越耐磨了。

硬度越高越是耐磨，但不是相同的硬度，就會相同的耐磨性，耐磨性取決於材料組織結構晶粒密度和晶粒細小。

在《粉體工程導論》 p77-81 有解釋不是很詳細，但是給出了解釋。