陶瓷材料硬度表示方法

表2 洛氏硬度標尺

壓頭類型		總試驗力F(N)
		1471	980.7	588.4
金剛石圓錐		C	D	A
鋼球（mm）	d=1.5875	G	B	F
	d=3.175	K	E	H

 

硬度是衡量材料力學性能的一項重要指標，它是指物體抵抗外力進入其中的能力，即由于其他物體給與的外力與物體的形變尺寸之間的關系。
   陶瓷材料作為無機非金屬材料的一個重要門類，取得了很大的發展。結構陶瓷以其高機械強度、高硬度、耐腐蝕性等優點被廣泛用于冶金、礦廠及航天等領域。硬度是結構陶瓷一項重要技術參數。它與材料的強度、耐磨性、韌性及材料成分、微觀組織結構等有著密切關系。
陶瓷材料的硬度是其內部結構牢固性的表現，主要取決于其內部化學鍵的類型和強度。簡單來說，共價鍵型硬度*高，然后依次是離子鍵、金屬鍵、分子鍵。原子價態和原子間距是決定化學鍵強度因而也是決定材料硬度大小的重要因素。
   陶瓷材料的化學鍵主要有離子鍵和共價鍵。由于陶瓷材料彈性模量大，其鍵的方向性強而密度小，同時位錯少，故可塑性小。它的顯微結構不同于金屬材料，很少由單一相組成，組成的晶相結構復雜。因此其硬度測定方法也不同于其它材料。
   由于陶瓷材料結構復雜，且性質硬而脆，塑性形變小。故常用硬度表示方法有維氏硬度、努普硬度和洛氏硬度。它們都是通過壓入陶瓷表面而測得陶瓷的硬度。測定方法及優缺點對比如下表1。
   表1幾種常用的陶瓷硬度測定方法
名稱維氏硬度（HV）努普硬度(HK) 洛氏硬度(HRA)
壓頭金剛石正四棱錐體，夾角136° 金剛石四棱錐體，兩長棱夾角172°，短棱夾角130°，底面為棱形。金剛石圓錐體，圓錐角120°，頂端球面半徑為0.2mm
荷重10-100g10-200g基準荷重10Kg，總荷重70Kg
荷重時間30s 30s 基準荷重9s，總荷重10s
所測數據壓痕對角線長度，算出壓痕表面積壓痕對角線長度，算出投影面積壓痕深度之差h
計算公式HV=1.854P/d2HV-維氏硬度（Kg/mm2）P-荷重（Kg）d-對角線長(mm)HK=14.23P/L2HK-努普硬度（Kg/mm2）P-荷重（Kg）d-對角線長(mm)HRA=100-hghg-h除以0.002mm的當量
特點①荷重小，可測定細小的試樣壓痕小
②測量誤差大
③對試樣無損壞①同上
②壓痕長，易測量，誤差小③同上①荷重較大，只能對相對大的試樣進行測定。②誤差小。測量效率高。③對試樣破壞性大。
測量精度較低較高較高
試樣要求為使壓痕清晰，易于測定，試樣表面須先研磨拋光同上試樣表面不需研磨拋光。但試樣兩面要相互平行，表面粗糙度要足夠小。

   對于較硬的材料（如95瓷、SiC等），用得較多的是洛氏硬度，并且它的精度高，誤差小。但是它的標尺多，共有A、B、C、D、E、F、G、H、K九種。硬度之間的換算較難，也沒有統一的標準，下面就探討一下洛氏硬度。
   GB/T230-91是金屬洛氏硬度的試驗方法的標準，也適用于陶瓷材料。各種標尺相應的壓頭類型和總試驗力，見下表2。
   表2 洛氏硬度標尺
壓頭類型總試驗力F(N)
1471 980.7 588.4
金剛石圓錐C D A
鋼球（mm）d=1.5875 G B F
d=3.175 K E H

陶瓷材料一般以HRA為主（適用范圍20-88），較硬可用HRC為標尺（適用范圍20-70）,洛氏硬度是根據壓痕深度計算硬度值。
     HR=(K—?h)/0.002 ①
    K—常數h—除掉初試應力（10kgf）的深度
    當壓頭為金剛石時，K=0.20mm
     當壓頭為鋼球時，K=0.26mm
    由公式我們可以看出，當h越大，HR越小，對于A標尺，由于加力小，故相對C標尺其硬度要大些，根據GB1172-74，黑色金屬洛氏硬度值換算表可知，HRA在80左右范圍內，HRC與之相差范圍在16-18，趨勢是HR值越大，差值越小，但無規律。作者以95瓷為例，儀器為一臺HR-150A型洛氏硬度計，做了一些試驗，發現其HRA與HRC之間換算數據并不滿足GB1172-74中的對照關系。但也沒發現規律。但可以肯定不同的95瓷配方、不同的生產工藝得到的洛氏硬度都是不同的。
   陶瓷材料的組成、顯微結構和硬度都有一定關系。不同組成陶瓷材料其硬度值顯然是不一樣的，同一組成的陶瓷材料，由于生產工藝的不同，其內部顯微結構也是不同的。故其硬度也不同。同一組成相，顯微結構是硬度的決定因素，晶粒大小是*靈敏的結構因素。
     H = H0+K﹒d-0.5 ②
     H0—單晶壓入硬度d—晶粒直徑K—材料系數
    ②式也說明了平均粒徑小的材料，硬度高。
   研究陶瓷新材料時，我們可以借助硬度測試和顯微結構分析這些簡便的方法，來初步陶瓷的性能，找出其性能與顯微結構的關系，同時還可對其生產工藝提出科學的依據。