手机硬度与划伤

硬度与划伤背景和目的•外观件在市场中存在划伤或磨损等问题硬度有哪些测试方法，适用于何种材料？生活中哪些物品会造成外观件的划伤？硬度测试的起源•金属硬度测量最早起源于18世纪20年代，由雷奥姆尔提出并被应用到金属硬度检测。它是金属材料的重要性能指标之一。对于金属，一般硬度越高，耐磨性越好。•铅笔划痕法测试涂膜硬度是自八十年代以来被国际普遍采用的测试方法。我国也已在涂料的发展研究和工业生产中推广这种测试方法。硬度的定义•硬度分为：①划痕硬度，主要用于比较不同矿物的软硬程度，定性地说，硬物体划出的划痕长，软物体划出的划痕短。如铅笔硬度，莫氏硬度等；②压入硬度，主要用于金属材料，以材料表面局部塑性变形的大小比较被测材料的软硬。如布氏硬度（HB），洛氏硬度（HRA，HRB，HRC）维氏硬度（HV），橡胶塑料邵氏硬度（HA，HD）等硬度其值表示材料表面抵抗坚硬物体压入的能力；③回跳硬度，主要用于金属材料，以试样在冲击过程中储存应变能的多少确定材料的硬度。如里氏硬度（HL），肖氏硬度（HS），其值代表金属弹性变形功的大小。•硬度是衡量材料软硬程度的一个性能指标。硬度试验的方法较多，原理也不相同，测得的硬度值和含义也不完全一样。因此，硬度不是一个单纯的物理量，而是反映材料的弹性、塑性、强度和韧性等的一种综合性能指标。常用的硬度计种类和区别•1、布氏硬度计：用于测未经淬火的钢材、铸铁、有色金属及质软的轴承合金材料，用HBW表示，一般用于材料较软的时候。布氏硬度计•2、洛氏硬度计。用于各种钢材(含合金钢、不锈钢)硬度的测试。这是最重要的、最常用的一类硬度计。根据压头匹配和标尺选择，可测参数为HRA、B、C、D、E、F、G、H和K。当HB450或者试样过小时，不能采用布氏硬度实验而改用洛氏硬度计量。洛氏硬度计•3、维氏硬度计。用于测黑色金属、有色金属、硬质合金(如铝合金)及表面渗碳、渗氮层的硬度，用HV表示。对于表面层很薄、硬度又较低的材料，要用小负荷维氏硬度计。维氏硬度计•4、邵氏硬度计：是测定硫化橡胶和塑料制品硬度的仪器。具有结构简单、使用方便、型小体轻、读数直观等特点，既可以随身携带手持测量，也可以装置在配套的SLX型邵氏硬度计测试机架上使用。邵氏硬度计•5、里氏硬度计：这是一种能实现六种硬度（HL、HRB、HRC、HB、HV、HS）间相互转换的较小型的硬度计，主要用于对金属材料的测试，特别是对较大型的工件。它的基本原理是具有一定质量的冲击体在一定的试验力作用下冲击试样表面，测量冲击体距试样表面1mm处的冲击速度与回跳速度，里氏硬度值以冲击体回跳速度与冲击速度之比来表示。里氏硬度计•6、铅笔硬度计：根据铅笔的硬度和涂层上的划痕来判断涂层的硬度，主要应用于测定涂层表面相对硬度。尽管有人认为铅笔硬度的技术含量很低，但由于其简单实用，可直接在样品上测定，所以铅笔硬度法在涂料界仍得到广泛应用。硬度级数从软到硬分别为：6B.5B.4B.3B.2B.B.HB.F.H.2H.3H.4H.5H.6H.7H.8H.9H,共17种。铅笔硬度计•7、莫氏硬度计：莫氏硬度计一般用两种不同的矿物互相刻划，来比较矿物的相对硬度，德国矿物学家摩氏用这种互相刻划的方法，挑选了十种矿物作为衡量矿物硬度的标准。十个等级分别为：1.滑石、2.石膏、3.方解石、4.萤石、5.磷灰石、6.正长石、7.石英、8.黄玉、9.刚玉、10.金刚石。和铅笔硬度一样，硬度值并非绝对硬度值，而是按硬度的顺序表示的值。莫氏硬度计除了原本列出的1~10种矿物，其他常见物品的硬度值供参考：硬度代表物常见用途1滑石、石墨滑石为已知最软的矿物，常见应用有滑石粉。1.5皮肤,天然砒霜2石膏用途广泛的工业材料2~3冰块2.5指甲、琥珀、象牙2.5~3黄金、银、铝黄金、银常见用于饰品，铝则常见于工业应用。3方解石，铜、珍珠方解石可作雕刻材料，也是许多工业的重要原料。铜最早用于装饰，常见还有用于合金制作，电子工业的传输媒材等。3.5贝壳4萤石又称氟石，可作雕刻材料，常见应用于冶金、化工、建材工业。4~4.5铂金稀有金属，亦是贵金属中最硬的。铂金常用于军事工业或饰品加工。4~5铁常见用于炼钢、其他工业应用。5磷灰石常见用于饲料、肥料工业，亦是重要的化工原料。其他常见物品的硬度值供参考：硬度代表物常见用途5.5玻璃、不銹钢6正长石、丹泉石（坦桑石)、纯钛正长石可作为陶瓷、玻璃、珐郎6~7牙齿（齿冠外层）主要成分为羟基磷灰石。6~6.5软玉-新疆和阗玉6.5黄铁矿硫酸原料来源、提炼黄金、药用等。6.5~7硬玉-缅甸翡翠或翠玉7石英，紫水晶为常见的耐火材料与玻璃的主要原料。7.5电气石、锆石常见于饰品应用8黄玉常见于饰品应用8.5金绿柱石常见于饰品应用9刚玉、铬、钨钢饰品、磨料等。常见的宝石如红宝石、蓝宝石等天然宝石均属刚玉；人造宝石，其硬度亦同刚玉等级。9.25莫桑宝石人造宝石，明亮的程度为钻石2.5倍，但价格约为1/1010钻石地球最硬天然宝石，常见于饰品应用。大于10聚合钻石纳米棒德国科学家于2005年研制出比钻石更硬的材料，具有广泛的工业应用前景。•由于测试方法的侧重点不同，用不同的方法测试材料的硬度会得到不同的结果，每种方法都有其自身的尺度来确定材料的硬度特性•因为侧重点不同，所以没有一个绝对的尺度能将不同方法测得的硬度统一起来，但同一种方法得到的结果是具有可比性的•金属的压痕硬度，可以参照ASTME140-02的标准金属硬度换算表，进行经验换算手机外壳OPPOX907Iphone4手机外壳表面常用材料：油漆/印刷，金属外壳，玻璃，电镀层，塑胶常见失效模式：油漆磨损，划伤，镜片划伤等产生原因：被硬物划伤或空气中的灰尘落在手机上，擦拭时造成硬度与手机抗划伤和耐磨性•硬度影响手机品质的主要失效模式包括：外壳划伤和涂膜磨损。•磨损是两个固体表面接触时在力的作用下将材料从固体表面剥落的结果。磨损时所受到的力除正压力外还有剪切力。材料的剥离以微粒和小块的形式脱离母体材料。•材料的表面不可能是绝对平的，从微观上看，接触点是一些凸起的尖端，一种材料硬度很高或者在两接触面之间存在刚性颗粒时，受力后造成表面下陷，表面随后的相对移动形成犁沟式划痕，这就产生了划伤。两种材料表面接触时，相对软的表面更容易被划伤。•耐划伤性反映的是材料在大应力短时间作用下的表面性质，耐划伤性不仅与材料的硬度有关，也与材料的韧性有关。•耐磨性表述的是在相同受力条件下，材料从母体剥落的程度。与抗划伤性一样，耐磨性与材料的硬度和韧性有关，但耐磨性反映的是材料在小应力长时间作用下的表面性能。•对于涂料，并非越硬的涂膜耐磨性越好，恰恰相反，对同一类型的聚合物涂膜，已经发现越硬的涂膜耐磨性越差，见下图，所以作为涂料，硬而韧的涂膜才是最好的涂膜。涂膜硬度H与耐磨性的关系手机表面硬度的度量•硬度的度量方法很多，综合以上各种硬度的测量方法，为了更好地表示壳体的抗划伤能力，需采用划痕硬度表示，即通过铅笔硬度法或莫氏硬度法•常用的手机外壳材料与莫氏硬度表对照，除了镜片和不锈钢外壳的莫氏硬度在5.5以外，其它的涂膜等材料的莫氏硬度值都小于3.0•用指甲刻划涂膜判断的硬度只不过相当于莫氏硬度2度，由于大多数塑料或涂膜的硬度都在莫氏3度以下，显然强调抗划痕性的莫氏硬度表征方法过于粗糙•铅笔硬度9H约等于莫氏硬度6.0度，莫氏硬度1-6度就可以用铅笔硬度细分为6B至9H共17个等级•所以，手机行业一般使用铅笔硬度来表征手机表面的抗划痕能力，对于莫氏硬度大于5.5度的镜片，一般使用钢丝绒测试来代替铅笔硬度的划伤产生的介质•常见的与手机外表面接触的介质包括以下几种：•（1）低硬度的介质，莫氏硬度小于2度，如硅胶，橡胶，布料，皮料，皮肤等，基本不会产生划伤；•（2）中等硬度的介质，莫氏硬度在2-3之间的，如喷涂的桌面，木制品，指甲，黄金/银戒指等；•（3）硬度较高的介质，莫氏硬度在3-6之间，如金属制品，贝壳装饰件等；•（4）高硬度的介质，莫氏硬度在6度以上，如空气中的灰尘，玉制品及钻石等；•下面我们就以最常见的几种介质（指甲，金属钥匙和灰尘）来做划伤验证。指甲划伤（涂膜）电池盖铅笔硬度：1H无划痕，3H有划痕指甲划伤模拟测试方法：用指甲用力在电池盖涂膜上划动，擦拭后，检查是否有划伤产生测试结果：OK结论：铅笔硬度达到1H或2H，就不容易被指甲划伤钥匙划伤（涂膜）电池盖铅笔硬度：1H无划痕，3H有划痕钥匙划伤模拟测试方法：用钥匙尖部用力在电池盖涂膜上划动，擦拭后，检查是否有划伤产生测试结果：电池盖上有明显的划伤，涂膜被划穿结论：喷涂件碰到金属饰品时，表面容易产生划伤或磨损钥匙划伤（亚克力镜片）亚克力镜片铅笔硬度：3H无划痕，4H有划痕钥匙划伤模拟测试方法：用钥匙尖部用力在镜片上划动，擦拭后，检查是否有划伤产生测试结果：镜片上有明显的划伤结论：亚克力镜片的硬度不足以抵抗金属饰品的划伤，钥匙的铅笔硬度在4H以上钥匙划伤（玻璃镜片）玻璃镜片铅笔硬度：5H无划痕钥匙划伤模拟测试方法：用钥匙尖部用力在镜片上划动，擦拭后，检查是否有划伤产生测试结果：镜片上无划伤结论：金属饰品不会对高耐划玻璃屏产生影响•从上面的结果，我们发现，玻璃镜片是手机表面最硬的部件，抗划伤性能最好。作为智能机最重要的外观部件，现在很多的高端手机，触摸屏玻璃都采用了康宁的大猩猩玻璃，莫氏硬度可以达到7•用钥匙，用硬币刮蹭都不会在玻璃表面留下痕迹，用裁纸刀在Gorilla身上划上两刀，也不会留下任何痕迹。如此高的强度，是否就不会产生划痕了呢？•下面我们以灰尘作为介质，验证玻璃是否会产生划痕？空气中的灰尘成分主要是石英，其硬度为7，而且还存在硬度达到9的微粉尘灰尘划伤（玻璃镜片）亚克力镜片铅笔硬度：5H无划痕灰尘划伤模拟测试方法：清理掉地面上的颗粒物质（地面能用指甲划出痕迹），手机屏幕朝下，用力按住手机在地面上摩擦几次，擦拭后，检查是否有划伤产生测试结果：镜片上有一条划痕结论：地面上灰尘中的矿物粉尘会对玻璃产生划痕，所以高抗划痕镜片也还是可能被划伤的总结•材料抗划伤能力不仅与硬度有关，还与材料的韧性有关，而且对于同一种涂膜，硬度越高，耐磨性越差，所以硬度并不是越高越好•目前公司的外观件标准，一般为涂膜2H，亚克力镜片4H，高耐磨玻璃镜片大于5H•从以上的实验情况来看，外观件都满足抗指甲划伤的能力，亚克力镜片和涂膜无抗金属饰件划伤的能力，玻璃能满足金属饰件抗划伤的能力•玻璃镜片并不是自然界中硬度最高的物质，无法保证不被划伤，还是会被一些沙石或矿物灰尘划伤，在保证结构可靠性的情况下，镜片的硬度越高，抗划伤的能力越强保护措施：手机套和贴膜保护不过不管增加手机套还是贴膜，在一定程度上都对用户体验会产生影响