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压头材料的高温测试

作者:硬度计服务商创诚致佳
发布时间:2020-11-27
内容摘要:为了研究材料的机械性能,经常使用纳米压痕和微压缩试验。通过载荷或位移控制,通过已知几何形状的压头,可以查询材料的这些特性。传统的硬度测试方法(例如维氏或布氏硬度技术)是这种压痕原理的前身,这种压痕原理已成为评估各种样品特性的理想技术。样品性能可能包括蠕变,应力松弛,应变率敏感性,硬度,滑移变形,弹性...

为了研究材料的机械性能,经常使用纳米压痕和微压缩试验。通过载荷或位移控制,通过已知几何形状的压头,可以查询材料的这些特性。传统的硬度测试方法(例如维氏或布氏硬度技术)是这种压痕原理的前身,这种压痕原理已成为评估各种样品特性的理想技术。

样品性能可能包括蠕变,应力松弛,应变率敏感性,硬度,滑移变形,弹性模量和断裂韧性。但是,重要的是要注意,随着温度的变化,材料特性也会发生重大变化。

在某些情况下,温度依赖性可能不会对下游应用产生重大影响。但是,对于打算在高速,高温下运行的热加工,耐火材料或用作切削工具涂层的材料而言,情况并非如此。在这些情况下,必须在模拟的使用温度下表征此类材料。对于传统的纳米压痕设备,这可能是困难的努力。

确定在高温测试下哪种纳米压痕材料性能最好是很重要的

高温压头材料的某些性能

热硬度测试可以被认为是这种在高温下评估材料机械性能的方法的始作俑者,这是因为它是第一个遇到许多与任务相关的挑战和怪癖的方法。

实际上,这表明了高温压痕涉及的许多独特原理。热硬度测试证明了认识到诸如最高硬度和刚度之类的特性在测试条件下如何变化的重要性,因为这些特性导致压头探针的选择非常严格。

在测试温度下,所选压头材料必须保持其硬度。这些温度的范围从室温到工业应用中的热量水平-通常高达600°C(1112°F)。如果材料的热膨胀系数差,在室温下表现出异常的硬度,则它们可能会在测试条件下软化。当然,这种改变可以改变压头面积函数,其对随后计算的硬度或弹性模量具有连锁效应。要考虑的另一个因素是对压头尖端的潜在永久性损坏,这可能会失去其锋利度。

另外,在高温下评估样品和压头之间化学反应的不匹配是关键。如果压头材料在低温下呈惰性,则它们可能会在测试条件下与样品材料发生反应。这样的反应将有可能导致接触的一种或两种材料受到污染;在最极端的情况下,冒着将一种物质溶解到另一种物质中的风险。

评估高温压头材料

压头材料必须至少比样品高20%的硬度,以便在执行硬度测试时可产生塑性变形。在理想情况下,压头的硬度应大于100%。这是理想的,这样可以避免快速钝化或故障。

Wheeler和Michler已对高温压头材料进行了综合分析,如下图所示。尽管事实上钻石在环境温度下自然是最好的压头材料之一,但其著名的硬度在升高的温度下会迅速下降,尽管该材料仍然比其他所有候选材料坚硬。

在所有温度下,金刚石都是目前可用的最坚硬的工程材料:可以进行的分析范围是室温到最高1000°C(1832°F)。在高度严格的高温纳米压痕测试过程中,钻石可以保留其优异的机械性能。

因此,它保留了测试极硬材料(包括工业级陶瓷和功能涂料)的理想解决方案的标题。就高温下的硬度而言,第二重要的压头材料是立方氮化硼(BN):该材料在高达约500°C(932°F)的温度下仍保持其刚性结构,此后会大幅下降硬度。

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压头材料的热维氏硬度和努氏硬度随温度变化,外推维氏硬度如虚线所示,仅适用于努氏硬度数据(参考文献1)。 图片来源:Alemnis AG

尽管事实上它的硬度不如立方氮化硼,但碳化钨(WC)在保持高温下的硬度时仍胜过BN。碳化钨会保持这种状态,直到最高峰值工作温度约为900°C(1652°F)。

当然,重要的是要记住,这些材料特性仅仅是压头性能的一个方面。实际上,在高温下,样品,压头和大气中的氧气分子之间发生交叉污染的风险明显更大。当加热到超过400°C(752°F)的温度时,在压头上形成氧化物几乎是钻石,氮化硼和蓝宝石(Al 2 O 3不可避免的风险碳化钨是反应性最低的压头材料,在高温下是碳化钨,它有助于金属合金在高温纳米压痕测试过程中的应用。

在可以诊断压头尖端的材料之前,必须了解被测材料。尽管就低反应性和保持机械性能而言,金刚石和碳化钨似乎是理想的先驱者,但总是有例外情况可以反驳该规则。

反应性带来了另一个问题,从某种意义上讲,它可能会限制许多纳米压痕设备的温度-例如,空气中的平均最高工作温度为200°C(392°F)。此限制可能足以进行专有测试,但会阻止对高性能合金和耐火材料的材料硬度提供准确的见解。解决该问题的一种常规方法是在真空条件下进行加热压痕测试。

用Alemnis进行高温纳米压痕测试

Alemnis提供了多种高温(HT)模块,非常适合材料的精确测试,在这种情况下,样品和压头均可加热到1000°C(1832°F)。此类模块可改装,并与所有标准压头材料兼容,可在实验之间快速有效地进行更换。


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