工程陶瓷維氏硬度測定方法

硬度作為材料的一種性能，是表示固體表面上，在一個小的或很小的體積抵抗彈性變形、塑性變形的能力，是耐磨性能的一種表征。硬度測試是檢查產品質量以及確定合理加工工藝的重要手段，對機械及工程設計具有特別重要的意義。
     硬度測量值不僅取決于材料本身的性質，同時也取決于測量方法和測量時的條件。不同的測量方法或相同的測量方法不同的測量條件，對于同一材料所測得的硬度值，其數值往往不同，甚至是不能相互比較的。

     硬度的測量方法很多，按負荷性質來分有靜力硬度試驗法（如布氏、洛氏、維氏、劃痕硬度等）；動力硬度試驗法（如肖氏、手錘布氏硬度等）。

在靜力壓入試驗方法中，布氏硬度是應用廣泛、使用歷史長的硬度方法之一。該方法是用一定直徑的鋼球作壓頭，在一定靜負荷作用下，垂直壓入試樣表面，其硬度值

 ，維氏硬度與布氏硬度試驗方法相似，其區別在于維氏硬度試驗所用壓頭為面角136℃的正方形金剛石壓頭，其硬度值  當硬度值小于450時，H_V=H_B，當硬度值大于450時，H_BV，這就是由于布氏硬度所用鋼球產生了變形，造成測量結果的不準確的緣故。而工程陶瓷是一種高硬度材料，用布氏硬度測定方法顯然是不適宜的。

     洛氏硬度是以規定的鋼球或以錐角為120°頂端半徑為0.2或0.1mm的金剛石圓錐體為壓頭。該方法適用于各種軟、硬材料。

     對工程陶瓷而言，目前較常用的方法是維氏硬度和洛氏硬度測定方法。洛氏硬度測定使用的負荷較大，易損壞壓頭，因此工程陶瓷硬度測定方法選用了小負荷維氏硬度測定方法。維氏硬度計測定結果不僅取決于試樣的材料特性，同時與試驗條件密切相關，因此在進行測定時必須嚴格遵照有關各項規定。試驗條件包括試樣表面的制備加工，試驗負荷的選擇、負荷的施加速度、壓痕的測量等等，對其中任何一項的疏忽，都將導致試驗結果的失真。

     一、試樣的制備

     被測材料試樣的選擇是相當重要的一環，不合規格的試樣，將會導致虛假的試驗結果。在進行硬度測定時，試樣兩面須要平行，表面平整、光潔，才能保證測量的準確度。試樣表面后加工程度，可以隨負荷和試驗中使用的放大倍數而改變，終目的是達到壓痕在顯微鏡視域中能清晰可見，便于測量。試樣表面粗糙度規定為0.8μm以下，一般用1μm的研磨膏拋光方可達到要求。

     試樣試驗面與相對面要平行，若試驗面處于傾斜狀態，其壓痕會出現明顯的不對稱（圖2），兩對角線長度誤差太大，給硬度測量帶來誤差。本試驗中規定試樣的平行度為±0.005mm/cm²。

     試樣的厚度一般規定為不小于壓痕對角線長度的1.5倍或不小于壓痕深度的10倍。過薄的試樣在一定負荷作用下會出現變形。在試驗中，試樣低允許厚度與其硬度值和所選取的試驗負荷之間的關系曲線（見圖3）。

     從圖中看出負荷愈大所需試樣愈厚，才能獲得準確的測量結果。曾用厚度為1mm的Sialon試樣在49N的負荷下進行了維氏硬度試驗，試樣未出現變形。由此可見在負荷49N的作用下試樣厚度1mm即可達到試驗要求。

     二、負荷大小的選擇

     一般選用負荷所得壓痕深度（h）不得大于試樣厚度的十分之一。壓痕深度（h）約為壓痕對角線（d）的七分之一。在試樣厚度允許的范圍內，盡量采用較大負荷，以便獲得較大尺寸的壓痕，從而減小測量的相對誤差。選取試驗負荷時不僅要針對被測材料的厚度而定，同時，還應考慮材料的硬度范圍（圖4）。對于硬度較低的材料用小負荷，而對于硬度較高的碳化物和氮化物試樣則需選用較大負荷。本試驗對Sialon、復合氮化硅材料、碳化硅、氧化鋁、氧化鋯等材料的試樣經加工、拋光、制成光潔表面，采用4.9、9.8、29.4、49、98N（0.5、1、3、5、10kgf）的負荷，對每個試樣在不同的負荷下制作五個壓痕點，試驗力保持時間為10秒，放大倍數為200倍，取其對角線的平均值計算硬度值。試驗結果見表1、圖4。