陶瓷材料硬度表示方法的探討

摘要 本文詳細論述了陶瓷材料硬度的不同測試方法以及各種方法的優缺點，并對影響耐磨陶瓷材料硬度的因素進行了分析。以95氧化鋁瓷為例，對其洛氏硬度進行了對比試驗，發現A、C不同標尺之間的換算在一個特定范圍存在相應誤差。

關鍵詞 耐磨性，陶瓷，硬度，測試方法

1前 言

陶瓷材料作為無機非金屬材料的一個重要門類，已經取得了很大的發展。結構陶瓷以其高機械強度、高硬度、優良的耐磨性和耐腐蝕性等優點被廣泛應用于冶金及航天等領域[1]。而作為陶瓷材料基本性能之一的力學性能，又是表征其使用性能的有效參數。硬度是衡量材料力學性能的一項重要指標，是結構陶瓷一種重要的力學性能，與材料的強度、耐磨性、韌性等有著密切的關系。

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。其中形成原子晶體的共價鍵型硬度最高，然后依次是離子鍵、金屬鍵。原子價態和原子間距決定了化學鍵的強度，因而也是決定材料硬度大小的重要因素。

2陶瓷材料常用的硬度表示方法

2.1 劃痕法

陶瓷及礦物材料常用的一種硬度表示方法就是莫氏硬度，它是由劃痕來表示硬度由小到大的順序，即后面的礦物可劃破前面的礦物表面，但沒有具體數值。莫氏硬度共分為十五級。表1所示為莫氏硬度的順序。

2.2 壓入法

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，所以可塑性小。陶瓷材料顯微結構不同于金屬材料，很少由單一相組成，組成的晶相結構也較復雜。要想得到陶瓷材料硬度的具體數值，常用的表示方法有維氏硬度、努普硬度和洛氏硬度。它們都是通過將壓頭壓入陶瓷表面而測得硬度值，測定方法及優缺點對比如表2。

3洛氏硬度HRA與HRC之間的換算關系

對于較硬的材料（如95瓷、SiC陶瓷等），用得較多的是洛氏硬度表示法，它的精度高，誤差小。但它的標尺多，共有A、B、C、D、E、F、G、H、K九種。硬度之間的換算較難，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。表3列舉了洛氏硬度各種標尺相應的壓頭類型和總試驗力。

陶瓷材料一般以HRA為主（適用范圍值：20～88），較硬可用HRC為標尺（適用范圍值：20～70），洛氏硬度根據壓痕深度來計算硬度值。

HR = (K-h)/0.002

式中：

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

由公式可以看出，h越大，HR值越小。對于同種材料， A標尺（588.4N）由于施加力小，因此相對C標尺（1471N）來說，h小，HR值大。根據GB1172-74，由黑色金屬洛氏硬度值換算表可知，HRA在80左右范圍內時，HRC與之相差范圍在16～18，并且隨著HR值增大，差值逐漸減小。作者曾以95氧化鋁瓷為例做實驗，儀器是一臺HR-150A型洛氏硬度計，發現其HRA與HRC之間換算數據雖不完全滿足金屬硬度GB1172-74中的對照關系，但趨勢都保持一致。據相關文獻報道，氧化鋁瓷的磨損主要為斷裂磨損機制，而金屬材料主要為塑性磨損機制[2]，而力學性能的提高是耐磨性能提高的最主要原因[3～4]。同一組成相，顯微結構是硬度的決定因素，晶粒大小是最靈敏的結構因素。

H = H0 + K·d^-0.5

式中：

H0——單晶壓入硬度

d——晶粒直徑

K——材料系數

由上式也可看出，平均粒徑小的材料，對應其硬度越大。

4結 論

表示陶瓷材料硬度的方法有許多種，不同的方法適用于不同的陶瓷類別，并且只有同種硬度方法之間的測試才有可比性。若需要簡單快捷時，可用莫氏硬度法進行比較，要求精確時可用洛氏硬度或維氏硬度進行測試。陶瓷材料的硬度取決于其晶相組成和結構，晶粒大小是最靈敏的因素，晶粒粒度越小，離子電價越高，結合能越大，抵抗外力摩擦刻劃和壓入的能力就越強，硬度就越大。

參考文獻

1陳 楷.陶瓷材料物理性能[M].北京：中國建筑工業出版社，1980:42～43

2 張福成，羅海輝，Roberts.Steve-G等.斷裂方式對氧化鋁基復合陶瓷耐磨性的影響[J].無機材料學報，2007，22（3）：493～498

3 Taktakd，Baspinar M S.Master.Design，2005，26:459～464

4 Chen H J，Rainforth W H，Lee W E.Scripta Master，2000，42:555～560