工程陶瓷维氏硬度测定方法

硬度作为材料的一种性能，是表示固体表面上，在一个小的或很小的体积抵抗弹性变形、塑性变形的能力，是耐磨性能的一种表征。硬度测试是检查产品质量以及确定合理加工工艺的重要手段，对机械及工程设计具有特别重要的意义。
     硬度测量值不仅取决于材料本身的性质，同时也取决于测量方法和测量时的条件。不同的测量方法或相同的测量方法不同的测量条件，对于同一材料所测得的硬度值，其数值往往不同，甚至是不能相互比较的。

     硬度的测量方法很多，按负荷性质来分有静力硬度试验法（如布氏、洛氏、维氏、划痕硬度等）；动力硬度试验法（如肖氏、手锤布氏硬度等）。

在静力压入试验方法中，布氏硬度是应用广泛、使用历史长的硬度方法之一。该方法是用一定直径的钢球作压头，在一定静负荷作用下，垂直压入试样表面，其硬度值

 ，维氏硬度与布氏硬度试验方法相似，其区别在于维氏硬度试验所用压头为面角136℃的正方形金刚石压头，其硬度值  当硬度值小于450时，H_V=H_B，当硬度值大于450时，H_BV，这就是由于布氏硬度所用钢球产生了变形，造成测量结果的不准确的缘故。而工程陶瓷是一种高硬度材料，用布氏硬度测定方法显然是不适宜的。

     洛氏硬度是以规定的钢球或以锥角为120°顶端半径为0.2或0.1mm的金刚石圆锥体为压头。该方法适用于各种软、硬材料。

     对工程陶瓷而言，目前较常用的方法是维氏硬度和洛氏硬度测定方法。洛氏硬度测定使用的负荷较大，易损坏压头，因此工程陶瓷硬度测定方法选用了小负荷维氏硬度测定方法。维氏硬度计测定结果不仅取决于试样的材料特性，同时与试验条件密切相关，因此在进行测定时必须严格遵照有关各项规定。试验条件包括试样表面的制备加工，试验负荷的选择、负荷的施加速度、压痕的测量等等，对其中任何一项的疏忽，都将导致试验结果的失真。

     一、试样的制备

     被测材料试样的选择是相当重要的一环，不合规格的试样，将会导致虚假的试验结果。在进行硬度测定时，试样两面须要平行，表面平整、光洁，才能保证测量的准确度。试样表面后加工程度，可以随负荷和试验中使用的放大倍数而改变，终目的是达到压痕在显微镜视域中能清晰可见，便于测量。试样表面粗糙度规定为0.8μm以下，一般用1μm的研磨膏抛光方可达到要求。

     试样试验面与相对面要平行，若试验面处于倾斜状态，其压痕会出现明显的不对称（图2），两对角线长度误差太大，给硬度测量带来误差。本试验中规定试样的平行度为±0.005mm/cm²。

     试样的厚度一般规定为不小于压痕对角线长度的1.5倍或不小于压痕深度的10倍。过薄的试样在一定负荷作用下会出现变形。在试验中，试样低允许厚度与其硬度值和所选取的试验负荷之间的关系曲线（见图3）。

     从图中看出负荷愈大所需试样愈厚，才能获得准确的测量结果。曾用厚度为1mm的Sialon试样在49N的负荷下进行了维氏硬度试验，试样未出现变形。由此可见在负荷49N的作用下试样厚度1mm即可达到试验要求。

     二、负荷大小的选择

     一般选用负荷所得压痕深度（h）不得大于试样厚度的十分之一。压痕深度（h）约为压痕对角线（d）的七分之一。在试样厚度允许的范围内，尽量采用较大负荷，以便获得较大尺寸的压痕，从而减小测量的相对误差。选取试验负荷时不仅要针对被测材料的厚度而定，同时，还应考虑材料的硬度范围（图4）。对于硬度较低的材料用小负荷，而对于硬度较高的碳化物和氮化物试样则需选用较大负荷。本试验对Sialon、复合氮化硅材料、碳化硅、氧化铝、氧化锆等材料的试样经加工、抛光、制成光洁表面，采用4.9、9.8、29.4、49、98N（0.5、1、3、5、10kgf）的负荷，对每个试样在不同的负荷下制作五个压痕点，试验力保持时间为10秒，放大倍数为200倍，取其对角线的平均值计算硬度值。试验结果见表1、图4。