陶瓷材料硬度表示方法
时间：2008-12-07 阅读：3946
陶瓷材料硬度表示方法
浅谈陶瓷材料硬度表示方法
硬度是衡量材料力学性能的一项重要指标，它是指物体抵抗外力进入其中的能力，即由于其他物体给与的外力与物体的形变尺寸之间的关系。
陶瓷材料作为无机非金属材料的一个重要门类，取得了很大的发展。结构陶瓷以其高机械强度、高硬度、耐腐蚀性等优点被广泛用于冶金、矿厂及航天等领域。硬度是结构陶瓷一项重要技术参数。它与材料的强度、耐磨性、韧性及材料成分、微观组织结构等有着密切关系。
陶瓷材料的硬度是其内部结构牢固性的表现，主要取决于其内部化学键的类型和强度。简单来说，共价键型硬度zui高，然后依次是离子键、金属键、分子键。原子价态和原子间距是决定化学键强度因而也是决定材料硬度大小的重要因素。
陶瓷材料的化学键主要有离子键和共价键。由于陶瓷材料弹性模量大，其键的方向性强而密度小，同时位错少，故可塑性小。它的显微结构不同于金属材料，很少由单一相组成，组成的晶相结构复杂。因此其硬度测定方法也不同于其它材料。
由于陶瓷材料结构复杂，且性质硬而脆，塑性形变小。故常用硬度表示方法有维氏硬度、努普硬度和洛氏硬度。它们都是通过压入陶瓷表面而测得陶瓷的硬度。测定方法及优缺点对比如下表1。
表1几种常用的陶瓷硬度测定方法
硬度是衡量材料力学性能的一项重要指标，它是指物体抵抗外力进入其中的能力，即由于其他物体给与的外力与物体的形变尺寸之间的关系。
陶瓷材料作为无机非金属材料的一个重要门类，取得了很大的发展。结构陶瓷以其高机械强度、高硬度、耐腐蚀性等优点被广泛用于冶金、矿厂及航天等领域。硬度是结构陶瓷一项重要技术参数。它与材料的强度、耐磨性、韧性及材料成分、微观组织结构等有着密切关系。
陶瓷材料的硬度是其内部结构牢固性的表现，主要取决于其内部化学键的类型和强度。简单来说，共价键型硬度zui高，然后依次是离子键、金属键、分子键。原子价态和原子间距是决定化学键强度因而也是决定材料硬度大小的重要因素。
陶瓷材料的化学键主要有离子键和共价键。由于陶瓷材料弹性模量大，其键的方向性强而密度小，同时位错少，故可塑性小。它的显微结构不同于金属材料，很少由单一相组成，组成的晶相结构复杂。因此其硬度测定方法也不同于其它材料。
由于陶瓷材料结构复杂，且性质硬而脆，塑性形变小。故常用硬度表示方法有维氏硬度、努普硬度和洛氏硬度。它们都是通过压入陶瓷表面而测得陶瓷的硬度。测定方法及优缺点对比如下表1。
表1几种常用的陶瓷硬度测定方法
| 名称 | 维氏硬度（HV） | 努普硬度(HK) | 洛氏硬度(HRA) |
| 压头 | 金刚石正四棱锥体，夹角136° | 金刚石四棱锥体，两长棱夹角172°，短棱夹角130°，底面为棱形。 | 金刚石圆锥体，圆锥角120°，顶端球面半径为0.2mm |
| 荷重 | 10-100g | 10-200g | 基准荷重10Kg，总荷重70Kg |
| 荷重时间 | 30s | 30s | 基准荷重9s，总荷重10s |
| 所测数据 | 压痕对角线长度，算出压痕表面积 | 压痕对角线长度，算出投影面积 | 压痕深度之差h |
| 计算公式 | HV=1.854P/d2HV-维氏硬度（Kg/mm2）P-荷重（Kg）d-对角线长(mm) | HK=14.23P/L2HK-努普硬度（Kg/mm2）P-荷重（Kg）d-对角线长(mm) | HRA=100-hghg-h除以0.002mm的当量 |
| 特点 | ①荷重小，可测定细小的试样压痕小 ②测量误差大 ③对试样无损坏 | ①同上 ②压痕长，易测量，误差小③ 同上 | ①荷重较大，只能对相对大的试样进行测定。②误差小。测量效率高。③对试样破坏性大。 |
| 测量精度 | 较低 | 较高 | 较高 |
| 试样要求 | 为使压痕清晰，易于测定，试样表面须先研磨抛光 | 同上 | 试样表面不需研磨抛光。但试样两面要相互平行，表面粗糙度要足够小。 |
对于较硬的材料（如95瓷、SiC等），用得较多的是洛氏硬度，并且它的精度高，误差小。但是它的标尺多，共有A、B、C、D、E、F、G、H、K九种。硬度之间的换算较难，也没有统一的标准，下面就探讨一下洛氏硬度。
GB/T230-91是金属洛氏硬度的试验方法的标准，也适用于陶瓷材料。各种标尺相应的压头类型和总试验力，见下表2。
表2 洛氏硬度标尺
GB/T230-91是金属洛氏硬度的试验方法的标准，也适用于陶瓷材料。各种标尺相应的压头类型和总试验力，见下表2。
表2 洛氏硬度标尺
| 压头类型 | 总试验力F(N) | |||
| 1471 | 980.7 | 588.4 | ||
| 金刚石圆锥 | C | D | A | |
| 钢球（mm） | d=1.5875 | G | B | F |
| d=3.175 | K | E | H | |
陶瓷材料一般以HRA为主（适用范围20-88），较硬可用HRC为标尺（适用范围20-70）,洛氏硬度是根据压痕深度计算硬度值。
HR = (K—¬h)/0.002 ①
K—常数 h—除掉初试应力（10kgf）的深度
当压头为金刚石时，K=0.20mm
当压头为钢球时，K=0.26mm
由公式我们可以看出，当h越大，HR越小，对于A标尺，由于加力小，故相对C标尺其硬度要大些，根据GB1172-74，黑色金属洛氏硬度值换算表可知，HRA在80左右范围内，HRC与之相差范围在16-18，趋势是HR值越大，差值越小，但无规律。作者以95瓷为例，仪器为一台HR-150A型洛氏硬度计，做了一些试验，发现其HRA与HRC之间换算数据并不满足GB1172-74中的对照关系。但也没发现规律。但可以肯定不同的95瓷配方、不同的生产工艺得到的洛氏硬度都是不同的。
陶瓷材料的组成、显微结构和硬度都有一定关系。不同组成陶瓷材料其硬度值显然是不一样的，同一组成的陶瓷材料，由于生产工艺的不同，其内部显微结构也是不同的。故其硬度也不同。同一组成相，显微结构是硬度的决定因素，晶粒大小是zui灵敏的结构因素。
H = H0 + K﹒d-0.5 ②
H0—单晶压入硬度 d—晶粒直径 K—材料系数
②式也说明了平均粒径小的材料，硬度高。
研究陶瓷新材料时，我们可以借助硬度测试和显微结构分析这些简便的方法，来初步陶瓷的性能，找出其性能与显微结构的关系，同时还可对其生产工艺提出科学的依据。
HR = (K—¬h)/0.002 ①
K—常数 h—除掉初试应力（10kgf）的深度
当压头为金刚石时，K=0.20mm
当压头为钢球时，K=0.26mm
由公式我们可以看出，当h越大，HR越小，对于A标尺，由于加力小，故相对C标尺其硬度要大些，根据GB1172-74，黑色金属洛氏硬度值换算表可知，HRA在80左右范围内，HRC与之相差范围在16-18，趋势是HR值越大，差值越小，但无规律。作者以95瓷为例，仪器为一台HR-150A型洛氏硬度计，做了一些试验，发现其HRA与HRC之间换算数据并不满足GB1172-74中的对照关系。但也没发现规律。但可以肯定不同的95瓷配方、不同的生产工艺得到的洛氏硬度都是不同的。
陶瓷材料的组成、显微结构和硬度都有一定关系。不同组成陶瓷材料其硬度值显然是不一样的，同一组成的陶瓷材料，由于生产工艺的不同，其内部显微结构也是不同的。故其硬度也不同。同一组成相，显微结构是硬度的决定因素，晶粒大小是zui灵敏的结构因素。
H = H0 + K﹒d-0.5 ②
H0—单晶压入硬度 d—晶粒直径 K—材料系数
②式也说明了平均粒径小的材料，硬度高。
研究陶瓷新材料时，我们可以借助硬度测试和显微结构分析这些简便的方法，来初步陶瓷的性能，找出其性能与显微结构的关系，同时还可对其生产工艺提出科学的依据。