陶瓷硬度是先进陶瓷独一无二的材料特性之一。精细陶瓷的高性能通常归功于其硬度数据。硬度使其在车身防护装置、切削刀具、泵组件、阀门和汽车零部件等应用中表现更佳。因此，了解陶瓷的刚度对于评估其功能至关重要。

材料硬度：概述

硬度是一种材料特性，它能充分反映材料在施加应力下的行为。过去，已有多项研究对常见材料的硬度进行了总结。其中一项标准是 莫氏硬度 规模。

关于莫氏硬度的知识

莫氏硬度表，构成了不同目标物质的硬度或抗划伤性信息。这是一个庞大的等级体系，列出了大多数常见材料。其硬度数据定义在1到10的范围内。莫氏硬度表可以帮助地质学家缩小范围，找到性能最佳的实体。

如何解读莫氏硬度

莫氏硬度表的解读相对简单。参考上图，所有材料中最硬的是钻石。氮化硼等工业陶瓷的硬度为10，与钻石相当。碳化钨和碳化钛的硬度也类似，如图所示。

陶瓷硬度与钢的硬度

莫氏硬度表的其他一些关键要点是钢的硬度数据以及与陶瓷的比较。硬化钢的莫氏硬度范围为7-8。硅或碳化硼等陶瓷的莫氏硬度高于硬化钢。普通钢的莫氏硬度则低得多，硬度范围为4-5，甚至低于牙釉质。

瓷器在莫氏硬度计上处于什么位置？

瓷器是一种半透明、颗粒细小的陶瓷材料。高岭土、石英、长石和云母等原料使其质地更坚硬。这些原料经过高温处理，就形成了瓷器，通常被称为“中国泥”。

从上图的莫氏硬度表来看，陶瓷的硬度范围在7左右。与普通钢材相比，这种材料的耐磨性更佳。其莫氏硬度相当于石英的硬度。

测试陶瓷硬度的重要性

陶瓷硬度是指陶瓷抵抗塑性变形的能力。但硬度显然不是衡量机械强度的唯一因素。除了硬度之外，韧性和耐磨性等特性也能帮助我们更好地了解特定的陶瓷。

陶瓷硬度的概念对于确定特定陶瓷在任何领域中的适用性至关重要。当今的许多需求都规定了所需的最低硬度。例如，外科植入物需要氧化锆硬度达到约11.8 GPa，以承受约9.8 N的载荷。

以上是不同技术陶瓷及其硬度值的快速比较表。与莫氏硬度数据相似，在所有可用的陶瓷中，碳化硼的硬度值最高，其次是碳化硅。

如何测试陶瓷材料的硬度？

陶瓷材料的硬度取决于所选陶瓷的固有特性。这些特性包括陶瓷的成分、晶粒尺寸、孔隙率以及晶粒边界处的相。陶瓷硬度测试有助于我们根据被忽略的应用来表征陶瓷材料。让我们详细了解全球现有的各种陶瓷硬度测试方法。

压痕测试

压痕技术相对简单直接，只需将压头压在陶瓷材料表面，测量形成的压痕，并对材料施加计算出的载荷以形成压痕。然后，可以根据载荷数据和变形量确定陶瓷的硬度。

测试中使用的压头尺寸和形状各异。以下列出部分形状以供参考。根据待测陶瓷的类型和特性，压头尺寸范围从纳米级、微米级到宏观级不等。陶瓷硬度测试的一般原理是，材料越硬，形成的压痕越小。

压痕测试有多种类型，例如维氏压痕、布氏压痕、努氏压痕、布氏压痕和洛氏压痕。这些测试是静态的，因为使用预先设定的负载来产生压痕。世界上大多数陶瓷硬度测试都基于维氏压痕、努氏压痕和布氏压痕。洛氏压痕和布氏压痕在陶瓷硬度测试中较少被采用。

维氏硬度试验

全球约有60%的工程和特性测试采用维氏硬度测试。维氏硬度测试通常使用C1327标准推荐的9.8 N范围内的载荷。根据陶瓷的性质，有时也会使用98 N的载荷。将金刚石压头压在陶瓷上进行测量。

维氏硬度测试中使用的压头是一个方形金字塔。压头相对面之间保持136度角。施加的力约为100千克力，持续时间约为10-15秒。然后测量形成的压痕，并根据以下公式计算出陶瓷硬度。

H=1.8544Pd2

是，

H是维氏陶瓷硬度

P 以 Kgf 为单位施加力

d 是压痕的对角线距离

上图显示了电动汽车中使用的氮化硅滚珠轴承上的维氏压痕。

维氏硬度测试的缺点

维氏硬度试验存在一些缺陷。由于压痕尺寸较小时测量困难，该技术有时会产生错误读数。在极高载荷下，维氏硬度试验也会出现诸如开裂和剥落等常见问题。然而，撇开这些缺陷不谈，该试验无疑是标准推荐用于表征任何先进陶瓷的。

陶瓷硬度的努氏试验

努氏硬度试验用于测定陶瓷材料的硬度，它使用菱形压头。该压头由金刚石制成，形状类似于长金字塔。努氏硬度试验用于测量脆性材料或薄片的显微硬度。该技术是 ASTM E-34 标准推荐的。

努氏硬度测试中的压头相对面之间的夹角为172度。这是努氏陶瓷硬度测试中形成的基本压痕图像。努氏硬度测试相对于维氏硬度测试的一大优势在于其加长压头的功能性。加长压头可以避免陶瓷在测试过程中开裂。

努普试验造成的压痕延伸通常用显微镜测量。与维氏压痕相比，努普试验的压痕基本上长2.8倍且较浅。努普陶瓷硬度的计算表达式如下：

HK=PCpL2

是，

P代表负载

Cp是压头的修正系数。一般使用的值约为0.070279

L是压痕的对角线长度

努氏硬度测试的缺点

理论上，长压痕应该使努氏硬度测试中的测量更容易。但由于压痕尖端呈锥形，测量结果存在不确定性，这给测试带来了困难。努氏陶瓷硬度测试中，压痕尖端的不确定度值约为0.5至1毫米。另一个影响读数的因素是用于测量压痕的商用显微镜的分辨率。

陶瓷硬度洛氏试验

洛氏硬度试验采用约 150 公斤力的预定载荷。该试验采用由金刚石或碳化钨制成的压头。压头呈球形。压痕形成后，将深度与参考点进行比较，即可得出硬度值。ASTM E-18 是洛氏硬度试验的通用规范。

洛氏陶瓷硬度测试操作更简单，且与其他测试相比相对准确。首先，使用球形压头施加预载荷。当预载荷突破表面光洁度后，测量由此产生的压痕。

伯科维奇试验测定陶瓷材料硬度

Berkovich 法使用带有尖头的扁平金字塔来测量材料硬度，主要测量纳米级硬度。进行 Berkovich 测试时，陶瓷厚度至少应为 100 毫米。Berkovich 测试通常用于小规模研究，精度更高。Berkovich 陶瓷硬度测试中使用的压头角度为 115 度。

下面是 Berkovich 压头的代表性图像。

 通过Berkovich试验确定陶瓷硬度的公式为：

H=1569.7 P d2

在哪里，

P代表试验力，单位为Kgf

D 是压痕对角线长度（以微米为单位）

底线

了解陶瓷材料的硬度对于评估其在特定环境下的功能至关重要。维氏硬度、努氏硬度和洛氏硬度等测试方法多年来一直非常有效。根据标准定义，必须对正确的材料进行正确的测试才能获得有用的数据。