摘要 本文詳細(xì)論述了陶瓷材料硬度的不同測(cè)試方法以及各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)影響耐磨陶瓷材料硬度的因素進(jìn)行了分析。以95氧化鋁瓷為例，對(duì)其洛氏硬度進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)A、C不同標(biāo)尺之間的換算在一個(gè)特定范圍存在相應(yīng)誤差。

關(guān)鍵詞 耐磨性，陶瓷，硬度，測(cè)試方法

1前 言

陶瓷材料作為無(wú)機(jī)非金屬材料的一個(gè)重要門(mén)類(lèi)，已經(jīng)取得了很大的發(fā)展。結(jié)構(gòu)陶瓷以其高機(jī)械強(qiáng)度、高硬度、優(yōu)良的耐磨性和耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于冶金及航天等領(lǐng)域[1]。而作為陶瓷材料基本性能之一的力學(xué)性能，又是表征其使用性能的有效參數(shù)。硬度是衡量材料力學(xué)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，是結(jié)構(gòu)陶瓷一種重要的力學(xué)性能，與材料的強(qiáng)度、耐磨性、韌性等有著密切的關(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(lèi)型和強(qiáng)度。其中形成原子晶體的共價(jià)鍵型硬度最高，然后依次是離子鍵、金屬鍵。原子價(jià)態(tài)和原子間距決定了化學(xué)鍵的強(qiáng)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(lái)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(méi)有具體數(shù)值。莫氏硬度共分為十五級(jí)。表1所示為莫氏硬度的順序。

2.2 壓入法

陶瓷材料的化學(xué)鍵主要有離子鍵和共價(jià)鍵。由于陶瓷材料彈性模量大，其鍵的方向性強(qiáng)而密度小，所以可塑性小。陶瓷材料顯微結(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)也較復(fù)雜。要想得到陶瓷材料硬度的具體數(shù)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(guò)將壓頭壓入陶瓷表面而測(cè)得硬度值，測(cè)定方法及優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表2。

3洛氏硬度HRA與HRC之間的換算關(guān)系

對(duì)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(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，沒(méi)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(yàn)方法的標(biāo)準(zhǔn)，也適用于陶瓷材料。表3列舉了洛氏硬度各種標(biāo)尺相應(yīng)的壓頭類(lèi)型和總試驗(yàn)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(biāo)尺（適用范圍值：20～70），洛氏硬度根據(jù)壓痕深度來(lái)計(jì)算硬度值。

HR = (K-h)/0.002

式中：

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(shí)，K=0.20mm；當(dāng)壓頭為鋼球時(shí)，K=0.26mm

由公式可以看出，h越大，HR值越小。對(duì)于同種材料， A標(biāo)尺（588.4N）由于施加力小，因此相對(duì)C標(biāo)尺（1471N）來(lái)說(shuō)，h小，HR值大。根據(jù)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(nèi)時(shí)，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(shí)驗(yàn)，儀器是一臺(tái)HR-150A型洛氏硬度計(jì)，發(fā)現(xiàn)其HRA與HRC之間換算數(shù)據(jù)雖不完全滿(mǎn)足金屬硬度GB1172-74中的對(duì)照關(guān)系，但趨勢(shì)都保持一致。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，氧化鋁瓷的磨損主要為斷裂磨損機(jī)制，而金屬材料主要為塑性磨損機(jī)制[2]，而力學(xué)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(jié)構(gòu)是硬度的決定因素，晶粒大小是最靈敏的結(jié)構(gòu)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(shù)

由上式也可看出，平均粒徑小的材料，對(duì)應(yīng)其硬度越大。

4結(jié) 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(lèi)別，并且只有同種硬度方法之間的測(cè)試才有可比性。若需要簡(jiǎn)單快捷時(shí)，可用莫氏硬度法進(jìn)行比較，要求精確時(shí)可用洛氏硬度或維氏硬度進(jìn)行測(cè)試。陶瓷材料的硬度取決于其晶相組成和結(jié)構(gòu)，晶粒大小是最靈敏的因素，晶粒粒度越小，離子電價(jià)越高，結(jié)合能越大，抵抗外力摩擦刻劃和壓入的能力就越強(qiáng)，硬度就越大。

參考文獻(xiàn)

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

2 張福成，羅海輝，Roberts.Steve-G等.斷裂方式對(duì)氧化鋁基復(fù)合陶瓷耐磨性的影響[J].無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào)，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