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玻璃的硬度

发布时间:2016/7/19

硬度是评价材料力学性能的一种简单有效的手段。关于硬度的定义,目前尚未统一,国内外

还没有一个包括所有试验方法在内的统一而明确的定义。一般来说,硬度是材料对压人塑性变

形、划痕、磨损或切削等的抗力。也可认为是:材料在一定条件下抵抗另一本身不发生残余变形

物体压人的能力。玻璃的硬度测量,不仅与玻璃的弹性模量、屈服强度、抗拉强度等力学性能有

关,还与测量仪器本身的测量条件有密切关系,所以,玻璃的硬度本身不是一个物理量,而是玻

璃局部区域力学性能在特定条件下的整体表现,是玻璃对外界物体机械作用(压入、研磨或刻

划)的局部抵抗能力的一种表现,反映了玻璃凝聚或结合强弱的程度。玻璃硬度越高,抗表面磨

损能力越大,玻璃的品质也越好。

玻璃的硬度还与原子半径、电荷大小和堆积密度有关。固体的硬度一般可称在表面产生局部 塑性变形所需的能量。对于离子晶体来说,其硬度与晶格能有关,即离子的电价越高,正负离子 间距越小,则硬度越高。另外,正离子的配位数对晶体硬度影响很大,一般地,硬度随配位数的 上升而提高。玻璃的硬度变化除服从离子晶体硬度变化的一般规律外,还有它自己的特殊规律。 网络生成体离子使玻璃具有高硬度,而网络外离子则使玻璃硬度降低。对于类型相同的玻璃来 说,其硬度随着网络外离子半径的减少和电价的上升而增加。B2o3和ai2o3在硬度这一性质上, 也有“反常”现象。PbO使硅酸盐玻璃硬度下降,有其特殊的规律,可能与Pb0-Si02的特殊结 构有关。

硬度是玻璃最重要的工艺性质之一。玻璃的磨制、抛光、刻划、钻孔、切削过程的速率和制 度制定都取决于这一性能。为了确定玻璃与其他固体材料的硬度大小,人们给出了多种不同的硬 度标准及其测量硬度的方法,如相对刻划法得出的莫氏硬度、压痕法的显微硬度、磨损法的研磨 硬度以及刻划法的刻划硬度等。各种硬度值不能直接换算,但可通过实验进行比较。

(1)莫氏硬度莫氏硬度测量法是固体材料硬度测量的比较普遍的测定方法。它是用物与物 之间相对擦划而区分硬度的。莫氏硬度的标度是选定十种不同矿物,从软到硬分为十级(见表 26-3)。根据莫氏硬度,玻璃的莫氏硬度介于5〜6。5之间,一般稍低于6。事实上,玻璃之间彼 此也是可以刻划出划痕的,所以莫氏硬度测量法很不准确,也不可靠。另外一种方法是用规定的 金刚石锥形压头,在一定载荷的作用下压入被测样品表面内,然后以一定的刻划速率来刻划玻 璃,则在样品表面划出一条划痕。用某一定载荷下划痕的宽度或用刻划出一定宽度的划痕所需的 载荷作为评价玻璃划痕硬度的依据。现在多是在显微硬度计上附带专用的划痕压头,划痕后随即 在显微硬度计上进行测量。

(2)玻璃的显微硬度对于玻璃硬度的测定,最普遍采用的硬度测试方法是用努氏金刚石压 头或维氏金刚石压头测试压痕硬度——即显微硬度法。传统硬度的计算是载荷除以凹印接触面积 (努氏显微硬度值是载荷与压痕投影面积之比),但近年来发展的位移敏感压痕技术定义的硬度均 为以投影面积取代接触面积来计算硬度,因此,所得的硬度值稍高一点。即使没有残余压痕,这 种方法也能算出材料的硬度,它不需要卸载后的显微镜观测。

①努氏压痕硬度试验是在规定的载荷下,以(0.20±0.05)mm/min的低速压人试样材料表 面,并使压头与样品接触保持20〜30s,在卸除载荷后,测量残留压痕的对角线长度,由于努氏 压头的几何尺寸的关系,所压印痕细长,在一般情况下只需要测量长对角线的长度,因而测量的 相对误差较小,测量的精度较高。努氏显微硬度(HK)除压头与维氏压头有明显区别外,其硬 度值不是载荷与压痕凹印接触面积之比,而是与压痕投影面积之比,即压痕单位面积上所承受的 载荷大小。

②维氏显微硬度压痕测试法是采用一个相对两面夹角为136°的金刚石正四棱锥形压头,在 一定载荷P的作用下压入玻璃表面。经规定的保载时间后卸除载荷,在玻璃试样测试面上压出 一个正方形的压痕。

②维氏显微硬度压痕测试法是采用一个相对两面夹角为136°的金刚石正四棱锥形压头,在 一定载荷P的作用下压入玻璃表面。经规定的保载时间后卸除载荷,在玻璃试样测试面上压出 一个正方形的压痕。

玻璃的显微硬度与测试时所加载荷的大小、金刚石锥压入玻璃的时间、玻璃的表面状态以及 测试时的温度等有关。脆性较大的玻璃,随载荷的增加,所测得的硬度值上升,当超过最大允许 载荷后,硬度下降,反之对脆性较小的玻璃,随着载荷增加,硬度下降。玻璃的硬度随着温度的 升高而下降。
测试玻璃的表面硬度时,玻璃样品上下表面须平行,测试表面必须精细。制备时不得有油污 或脏点,需抛光成镜面。样品的厚度至少大于压痕对角线的两倍。同一样品上至少测定不同位置 的5个点的维氏硬度值,求其平均值作为该样品的测试值。通常,显微压痕的载荷最大值为 lOOOgf。高于这个载荷值的维氏和努氏压痕的计算公式完全相同,但压头的加工没有显微压头精 良。最大载荷可以达到50kgf。测试玻璃的硬度还有其他的方法。例如研磨法,在一定的条件下研磨玻璃样品,消耗的功或玻璃研磨前后体积的损失来表示。我国光学玻璃硬度用相对硬度来表示。条件下,以某种玻璃为标准,用被测玻璃的磨去量与标准玻璃的磨去量之比来表示。

硬度比标准玻璃要高,在工艺操作过程中导致玻璃表面划伤的可能性也小得多。这种研磨法精度 较低,因为研磨过程是一个复杂的玻璃破坏过程,因此影响因素难以控制,测定精度就差。

(3)压痕技术确定材料的弹性模量和硬度压痕技术的进步使得通过精确测量加载-深度的信息来评价弹性模量和硬度成为可能。近十几年来快速发展的位移敏感压痕或纳米压痕技术主要 利用压痕加载卸载过程中的载荷-位移曲线,不需要测量表面残余痕迹的尺寸,直接得到材料的 局部硬度和弹性模量。



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