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陶瓷材料硬度表示方法
淺談陶瓷材料硬度表示方法
硬度是衡量材料力學(xué)性能的一項重要指標(biāo)，它是指物體抵抗外力進(jìn)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(guān)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(fā)展。結(jié)構(gòu)陶瓷以其高機械強度、高硬度、耐腐蝕性等優(yōu)點被廣泛用于冶金、礦廠及航天等領(lǐng)域。硬度是結(jié)構(gòu)陶瓷一項重要技術(shù)參數(shù)。它與材料的強度、耐磨性、韌性及材料成分、微觀組織結(jié)構(gòu)等有著密切關(guān)系。
陶瓷材料的硬度是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)牢固性的表現(xiàn)，主要取決于其內(nèi)部化學(xué)鍵的類型和強度。簡單來說，共價鍵型硬度zui高，然后依次是離子鍵、金屬鍵、分子鍵。原子價態(tài)和原子間距是決定化學(xué)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(xué)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(jié)構(gòu)不同于金屬材料，很少由單一相組成，組成的晶相結(jié)構(gòu)復(fù)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，且性質(zhì)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(yōu)缺點對比如下表1。
表1幾種常用的陶瓷硬度測定方法
硬度是衡量材料力學(xué)性能的一項重要指標(biāo)，它是指物體抵抗外力進(jìn)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(guān)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(fā)展。結(jié)構(gòu)陶瓷以其高機械強度、高硬度、耐腐蝕性等優(yōu)點被廣泛用于冶金、礦廠及航天等領(lǐng)域。硬度是結(jié)構(gòu)陶瓷一項重要技術(shù)參數(shù)。它與材料的強度、耐磨性、韌性及材料成分、微觀組織結(jié)構(gòu)等有著密切關(guān)系。
陶瓷材料的硬度是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)牢固性的表現(xiàn)，主要取決于其內(nèi)部化學(xué)鍵的類型和強度。簡單來說，共價鍵型硬度zui高，然后依次是離子鍵、金屬鍵、分子鍵。原子價態(tài)和原子間距是決定化學(xué)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(xué)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(jié)構(gòu)不同于金屬材料，很少由單一相組成，組成的晶相結(jié)構(gòu)復(fù)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，且性質(zhì)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(yōu)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 | 10-100g | 10-200g | 基準(zhǔn)荷重10Kg，總荷重70Kg |
| 荷重時間 | 30s | 30s | 基準(zhǔn)荷重9s，總荷重10s |
| 所測數(shù)據(jù) | 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(dāng)量 |
| 特點 | ①荷重小，可測定細(xì)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?、?同上 | ①荷重較大，只能對相對大的試樣進(jìn)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(biāo)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(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)，也適用于陶瓷材料。各種標(biāo)尺相應(yīng)的壓頭類型和總試驗力，見下表2。
表2 洛氏硬度標(biāo)尺
GB/T230-91是金屬洛氏硬度的試驗方法的標(biāo)準(zhǔn)，也適用于陶瓷材料。各種標(biāo)尺相應(yīng)的壓頭類型和總試驗力，見下表2。
表2 洛氏硬度標(biāo)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(biāo)尺（適用范圍20-70）,洛氏硬度是根據(jù)壓痕深度計算硬度值。
HR = (K—¬h)/0.002 ①
K—常數(shù) h—除掉初試應(yīng)力（10kgf）的深度
當(dāng)壓頭為金剛石時，K=0.20mm
當(dāng)壓頭為鋼球時，K=0.26mm
由公式我們可以看出，當(dāng)h越大，HR越小，對于A標(biāo)尺，由于加力小，故相對C標(biāo)尺其硬度要大些，根據(jù)GB1172-74，黑色金屬洛氏硬度值換算表可知，HRA在80左右范圍內(nèi)，HRC與之相差范圍在16-18，趨勢是HR值越大，差值越小，但無規(guī)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(fā)現(xiàn)其HRA與HRC之間換算數(shù)據(jù)并不滿足GB1172-74中的對照關(guān)系。但也沒發(fā)現(xiàn)規(guī)律。但可以肯定不同的95瓷配方、不同的生產(chǎn)工藝得到的洛氏硬度都是不同的。
陶瓷材料的組成、顯微結(jié)構(gòu)和硬度都有一定關(guān)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(chǎn)工藝的不同，其內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu)也是不同的。故其硬度也不同。同一組成相，顯微結(jié)構(gòu)是硬度的決定因素，晶粒大小是zui靈敏的結(jié)構(gòu)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(shù)
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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的關(guān)系，同時還可對其生產(chǎn)工藝提出科學(xué)的依據(jù)。
HR = (K—¬h)/0.002 ①
K—常數(shù) h—除掉初試應(yīng)力（10kgf）的深度
當(dāng)壓頭為金剛石時，K=0.20mm
當(dāng)壓頭為鋼球時，K=0.26mm
由公式我們可以看出，當(dāng)h越大，HR越小，對于A標(biāo)尺，由于加力小，故相對C標(biāo)尺其硬度要大些，根據(jù)GB1172-74，黑色金屬洛氏硬度值換算表可知，HRA在80左右范圍內(nèi)，HRC與之相差范圍在16-18，趨勢是HR值越大，差值越小，但無規(guī)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(fā)現(xiàn)其HRA與HRC之間換算數(shù)據(jù)并不滿足GB1172-74中的對照關(guān)系。但也沒發(fā)現(xiàn)規(guī)律。但可以肯定不同的95瓷配方、不同的生產(chǎn)工藝得到的洛氏硬度都是不同的。
陶瓷材料的組成、顯微結(jié)構(gòu)和硬度都有一定關(guān)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(chǎn)工藝的不同，其內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu)也是不同的。故其硬度也不同。同一組成相，顯微結(jié)構(gòu)是硬度的決定因素，晶粒大小是zui靈敏的結(jié)構(gòu)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(shù)
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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的關(guān)系，同時還可對其生產(chǎn)工藝提出科學(xué)的依據(jù)。
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