セラミック材料のビッカース硬さ試験方法

掲載日：

2023-08-31 14:06

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硬度は材料の力学的性能を測定する重要な指標であり、それは物体が外力に抵抗してその中に入る能力、すなわち他の物体が与えた外力と物体の変形寸法との関係によるものである。

セラミック材料の硬度はその内部構造の堅牢性の発現であり、主にその内部化学結合のタイプと強度に依存する。簡単に言えば、共有結合型の硬度が最も高く、次いでイオン結合、金属結合、分子結合の順である。原子価状態と原子間距離は化学結合強度を決定するため、材料の硬度の大きさを決定する重要な要素でもある。セラミック材料の化学結合には主にイオン結合と共有結合がある。セラミックス材料の弾性率が大きいため、その結合の方向性は強く、密度は小さく、同時に転位が少ないため、可塑性は小さい。その微細構造は金属材料とは異なり、単一相からなることは少なく、構成される結晶相構造は複雑である。そのため、硬度測定方法も他の材料とは異なる。

セラミック材料は構造が複雑で、性質が硬くて脆く、塑性変形が小さくなる。そのため、常用硬度表示方法はビッカース硬度、ヌプ硬度、ロックス硬度があり、それらはすべてセラミックス表面を圧入することによってセラミックスの硬度を測定したものである。

本文は主にセラミックス材料のビッカース硬度測定方法を紹介した。

テスト原理
ビッカース硬度とは、試料表面のダイヤモンド圧子に対する相対硬度を指す。試験方法は一対向両面挟角136°のダイヤモンド正四角錐形圧子を用いて、一定の荷重作用の下で、被測定試料の表面を圧入し、規定の保荷時間を経た後、荷重を取り除き、その圧痕対角線長を測定して確定した。

テスト機器
ビッカース硬度計1台。

サンプリング規定
3つの製品平坦部からそれぞれ約150 mm 2の面積の小さな塊を試料として採取した。
試料の表面は清潔でなければならず、ひび割れ、気泡、傷跡などの欠陥はあってはならない。

テスト条件
a）器具は振動と腐食ガスのない実験室に設置し、安定した基礎の上に水平に置くべきである。
b）毎回圧子を交換したり、大量の試料測定を行う前に、ビッカース硬度が500 kg〜800 kgの二等標準硬度ブロックを用いて校正を行う。
c）試料は測定中に位置を維持しなければならない。

テスト手順
テスト手順は次のとおりです。
a）試料を載置台に固定する、
b）使用する負荷は試料の硬度の大きさに応じて適切な負荷級を選択することができ、通常は100または200 gの分銅を選択することができる、
c）保荷時間は10 s〜15 s、
d）打痕が完成した後、荷重を取り除き、マイクロメーターを回転させ、読数をメモし、0.001 mmまで正確にし、対角線長dを求めた。

テスト結果の計算
1枚の試料ごとに1点を測定し、それから3点のインデンテーション対角線の算術平均値を取り、表を調べたり式（1）に代入して計算し、ビッカース硬度値を求めた：

式中：
HV——ビッカース硬度値、単位は1平方ミリ当たりキログラム（kg/mm 2）、
P――負荷、単位はキログラム（kg）、
d——打痕対角線の長さ、単位はミリ（mm）である。

ビッカース硬度