Độ cứng gốm là một đặc tính vật liệu tạo nên sự độc đáo của gốm sứ cao cấp. Hiệu suất cao của gốm sứ cao cấp thường được quy cho độ cứng của chúng. Độ cứng giúp chúng hoạt động tốt hơn khi làm vỏ thân, dụng cụ cắt, linh kiện bơm, van và phụ tùng ô tô. Do đó, việc hiểu rõ độ cứng là rất quan trọng để đánh giá chức năng.

Độ cứng của vật liệu: Tổng quan

Độ cứng là một đặc tính vật liệu thể hiện rõ ràng hành vi của vật liệu dưới tác dụng của ứng suất. Đã có rất nhiều nghiên cứu được thực hiện trong quá khứ để đưa ra kết luận về độ cứng của các vật liệu phổ biến. Một trong những tiêu chuẩn đó là Độ cứng Mohs tỉ lệ.

Những điều cần biết về thang độ cứng Mohs

Thang độ cứng Mohs cung cấp thông tin về độ cứng hoặc khả năng chống trầy xước của các vật liệu quan tâm khác nhau. Đây là một hệ thống xếp hạng khổng lồ, liệt kê hầu hết các vật liệu phổ biến. Dữ liệu độ cứng được định nghĩa theo thang điểm từ 1 đến 10. Thang độ cứng Mohs giúp các nhà địa chất thu hẹp phạm vi lựa chọn xuống các vật liệu có hiệu suất tốt nhất.

Cách đọc thang độ cứng Mohs

Đọc thang độ cứng Mohs tương đối đơn giản. Nhìn vào hình ảnh trên, vật liệu cứng nhất là Kim cương. Gốm kỹ thuật như Bo Nitride có độ cứng gốm là 10, tương đương với kim cương. Độ cứng của Tungsten Carbide và Titanium Carbide cũng có thang độ cứng tương tự như biểu đồ.

Độ cứng của gốm so với thép

Một số điểm chính khác của thang độ cứng Mohs là dữ liệu độ cứng của thép và so sánh với gốm sứ. Thép tôi có thang độ cứng Mohs từ 7-8. Độ cứng Mohs của gốm sứ như silicon carbide hoặc boron carbide cao hơn thép tôi. Thép thông thường kém hơn nhiều, với độ cứng từ 4-5, thậm chí còn thấp hơn men răng.

Sứ đứng ở vị trí nào trên thang độ cứng Mohs?

Sứ là một loại vật liệu gốm trong suốt và có kích thước hạt mịn. Các nguyên liệu thô như cao lanh, thạch anh, fenspat và mica làm cho nó trở thành một loại gốm cứng hơn. Quá trình xử lý nhiệt độ cao của các vật liệu trên tạo ra sứ, thường được gọi là đất sét Trung Quốc.

Nhìn vào thang độ cứng Mohs được hiển thị ở trên, phạm vi của gốm sứ là khoảng 7. Vật liệu này có khả năng chống mài mòn tốt hơn so với thép thông thường. Độ cứng theo thang Mohs tương đương với độ cứng của thạch anh.

Tầm quan trọng của việc kiểm tra độ cứng của gốm

Độ cứng gốm được dùng để chỉ khả năng chống biến dạng dẻo của gốm. Tuy nhiên, độ cứng rõ ràng không phải là yếu tố duy nhất để đo độ bền cơ học. Ngoài độ cứng, các đặc tính như độ dẻo dai và khả năng chống mài mòn cũng có thể giúp chúng ta hiểu rõ hơn về một loại gốm cụ thể.

Ý tưởng về độ cứng của gốm sứ rất quan trọng để xác định khả năng ứng dụng của một loại gốm sứ cụ thể trong bất kỳ lĩnh vực mong muốn nào. Nhiều nhu cầu ngày nay quy định độ cứng tối thiểu cần thiết. Ví dụ, cấy ghép phẫu thuật cần độ cứng Zirconia khoảng 11,8 GPa cho tải trọng khoảng 9,8 N.

Trên đây là bảng so sánh nhanh các loại gốm kỹ thuật khác nhau và giá trị độ cứng của chúng. Tương tự như dữ liệu Mohs, trong số tất cả các loại gốm hiện có, Boron Carbide có giá trị độ cứng cao nhất, tiếp theo là Silicon Carbide.

Làm thế nào để kiểm tra độ cứng của vật liệu gốm?

Độ cứng của vật liệu gốm phụ thuộc vào các đặc tính vốn có của loại gốm được chọn. Các đặc tính này bao gồm thành phần gốm, kích thước hạt, độ xốp và pha tại ranh giới hạt. Kiểm tra độ cứng của gốm giúp chúng ta xác định đặc tính của vật liệu gốm so với ứng dụng thường bị bỏ qua. Hãy cùng tìm hiểu chi tiết về các bài kiểm tra độ cứng gốm khác nhau hiện có trên toàn cầu.

Kiểm tra độ lõm

Kỹ thuật tạo vết lõm tương đối đơn giản và dễ hiểu, yêu cầu ấn một đầu ấn vào bề mặt vật liệu gốm, đo vết lõm hình thành và tác dụng một lực đã tính toán lên vật liệu để tạo vết lõm. Độ cứng của gốm sau đó có thể được xác định bằng cách sử dụng dữ liệu tải trọng và lượng biến dạng.

Các đầu đo được sử dụng trong thử nghiệm có nhiều kích thước và hình dạng khác nhau. Một số hình dạng được đưa ra dưới đây để tham khảo. Kích thước có thể thay đổi từ nano, micro và macro tùy thuộc vào loại và tính chất của gốm cần thử nghiệm. Ý tưởng chung đằng sau việc kiểm tra độ cứng của gốm là vật liệu càng cứng thì vết lõm hình thành càng ít.

Có một số loại thử nghiệm độ lún như phương pháp Vickers, Berkovich, Knoop, Brinell và Rockwell. Các thử nghiệm này mang tính tĩnh vì sử dụng tải trọng được xác định trước để tạo ra vết lõm. Hầu hết các thử nghiệm độ cứng gốm sứ trên toàn thế giới đều dựa trên các quy trình Vickers, Knoop và Berkovich. Rockwell và Brinell ít được sử dụng trong thử nghiệm độ cứng gốm sứ.

Kiểm tra độ cứng Vickers

Khoảng 60 % kỹ thuật và đặc tính toàn cầu tuân theo thử nghiệm độ cứng Vickers. Thử nghiệm độ cứng Vickers thường sử dụng tải trọng trong phạm vi 9,8 N theo khuyến nghị của tiêu chuẩn C1327. Đôi khi cũng sử dụng 98 N tùy thuộc vào bản chất của gốm. Vật liệu đầu đo làm bằng kim cương được ấn vào gốm để đo.

Đầu đo được sử dụng trong phép thử độ cứng Vickers là một kim tự tháp hình vuông. Góc giữa hai mặt đối diện của đầu đo là 136 độ. Lực tác dụng khoảng 100 Kgf trong khoảng thời gian khoảng 10-15 giây. Sau đó, vết lõm được tạo thành sẽ được đo để xác định độ cứng của gốm theo công thức dưới đây.

H = 1,8544Pd2

Đã từng,

H là độ cứng gốm Vickers

P được áp dụng cưỡng bức theo Kgf

d là khoảng cách đường chéo của vết lõm

Hình ảnh trên cho thấy vết lõm Vickers trên ổ bi Silicon Nitride được sử dụng trong xe điện.

Những hạn chế của phép thử độ cứng Vickers

Kiểm tra độ cứng Vickers có một số nhược điểm nhất định. Kỹ thuật này đôi khi tạo ra kết quả sai do khó đo lường khi kích thước vết lõm nhỏ. Ở tải trọng rất cao, các vấn đề chung như nứt và bong tróc cũng phát sinh khi kiểm tra độ cứng Vickers. Tuy nhiên, bỏ qua các lỗi, kiểm tra này chắc chắn được khuyến nghị theo tiêu chuẩn để xác định đặc tính của bất kỳ loại gốm sứ tiên tiến nào.

Kiểm tra độ cứng gốm Knoop

Thử nghiệm Knoop để xác định độ cứng của vật liệu gốm sử dụng một đầu đo hình thoi. Đầu đo này được làm bằng kim cương, về cơ bản trông giống như một kim tự tháp dài. Thử nghiệm Knoop được sử dụng để đo độ cứng vi mô của vật liệu giòn hoặc tấm mỏng. Kỹ thuật này được khuyến nghị trong tiêu chuẩn ASTM E-34.

Đầu đo trong thử nghiệm Knoop có góc 172 độ giữa hai mặt đối diện. Dưới đây là hình ảnh một vết lõm cơ bản được hình thành trong quá trình thử nghiệm độ cứng gốm Knoop. Một ưu điểm lớn của thử nghiệm Knoop so với thử nghiệm Vickers liên quan đến chức năng của đầu đo dài. Đầu đo dài giúp tránh nứt gốm trong quá trình thử nghiệm.

Độ sâu vết lõm do phép thử Knoop gây ra thường được đo bằng kính hiển vi. Vết lõm về cơ bản dài hơn và nông hơn 2,8 lần so với vết lõm Vickers. Công thức tính độ cứng gốm Knoop được đưa ra như sau:

HK = PCpL2

Đã từng,

P là viết tắt của tải trọng

Cp là hệ số hiệu chỉnh của đầu đo. Giá trị thường được sử dụng là khoảng 0,070279.

L là chiều dài đường chéo của vết lõm

Nhược điểm của phép thử độ cứng Knoop

Về mặt lý thuyết, vết lõm dài sẽ giúp việc đo lường trong phép thử Knoop dễ dàng hơn. Tuy nhiên, độ không chắc chắn do đầu nhọn gây khó khăn cho phép thử. Giá trị độ không chắc chắn của đầu đo liên quan đến phép thử độ cứng gốm Knoop nằm trong khoảng từ 0,5 đến 1 mm. Một yếu tố khác ảnh hưởng đến kết quả đo là độ phân giải của kính hiển vi thương mại được sử dụng để đo vết lõm.

Thử nghiệm độ cứng gốm Rockwell

Thử nghiệm Rockwell sử dụng tải trọng được xác định trước khoảng 150 kgf. Phương pháp này sử dụng một đầu đo làm bằng kim cương hoặc cacbua vonfram. Đầu đo có hình dạng viên bi. Sau khi tạo vết lõm, độ sâu và điểm tham chiếu được so sánh để xác định giá trị độ cứng. ASTM E-18 là tiêu chuẩn chung cho thử nghiệm Rockwell.

Kiểm tra độ cứng gốm Rockwell dễ thực hiện hơn và tương đối chính xác so với các thử nghiệm khác. Ban đầu, tải trọng được tác động bằng đầu bi. Khi tải trọng xuyên qua bề mặt hoàn thiện, độ lõm được đo.

Thử nghiệm Berkovich để xác định độ cứng của vật liệu gốm

Berkovich sử dụng kim tự tháp phẳng với đầu nhọn để đo độ cứng của vật liệu, chủ yếu ở cấp độ nano. Gốm phải dày tối thiểu 100 mm để thực hiện phép thử Berkovich. Phép thử Berkovich thường được sử dụng trong các nghiên cứu quy mô nhỏ và có độ chính xác cao hơn. Đầu đo được sử dụng trong phép thử Berkovich để đo độ cứng gốm có góc 115 độ.

Dưới đây là hình ảnh đại diện của máy đo độ sâu Berkovich.

 Công thức xác định độ cứng của gốm thông qua phép thử Berkovich là:

H=1569,7 Pd2

Ở đâu,

P là viết tắt của lực thử tính bằng Kgf

D là phép đo đường chéo tính bằng micromet của vết lõm

Kết luận

Việc nắm rõ độ cứng của vật liệu gốm rất quan trọng để đánh giá chức năng của gốm trong từng bối cảnh cụ thể. Các phương pháp thử nghiệm như Vickers, Knoop và Rockwell đã thành công trong nhiều năm qua. Theo tiêu chuẩn, các thử nghiệm phù hợp phải được thực hiện trên đúng vật liệu để thu được dữ liệu hiệu quả.