硬度測試的極限挑戰——陶瓷材料

2020-12-13 弈鎂金相

在醫學工程、汽車和電氣等行業中,陶瓷技術被廣泛運用於各種產品以及那些需要耐磨、耐熱、絕緣或耐腐蝕的塗層部件。陶瓷材料除了擁有低密度和低熱膨脹率之外,還具有高硬度、低斷裂韌性以及高彈性模量等特點。鑑於這些機械性能,陶瓷在電容器、隔離器、切割設備的噴嘴或刀片、軸承、泵或粉末塗層的材料表面等領域也被廣泛應用。

硬度測試對於驗證那些受嚴重磨損的陶瓷工件的機械性能尤其重要,其中典型的案例是摩擦軸承、剎車盤和渦輪葉片。對於陶瓷最常見的測試方法是小載荷維氏硬度法;同時由於努氏硬度法對陶瓷造成壓痕的深度和形成的裂紋都較小,所以也會運用於陶瓷塗層的硬度測試。

製備用於硬度測試的陶瓷樣品

光學硬度測試方法(如維氏和努氏)對於樣品的制樣效果十分敏感。大多數情況下陶瓷表面沒有規則的結構。因此,材料表面的光潔度質量很大程度上受材料晶粒尺寸以及幾何偏差的影響。

為了獲得一個適合於硬度測試的表面,建議使用精磨或者拋光來做表面處理,以降低硬度壓痕能在陶瓷表面清晰顯示的困難。由於陶瓷材料的特性,樣品表面很可能會很暗或者發黑,這使得在光學顯微鏡頭下進行壓痕測量變得十分困難。

陶瓷表面的維氏壓痕10x物鏡(左圖)陶瓷塗層上的努氏壓痕,10x物鏡(右圖)

硬度測試的程序以及方法

維氏和努氏是唯一經典的也適用於1000HV以上的材料例如陶瓷的硬度測試程序。不過由於材料成分不同,陶瓷的硬度有時可能會接近2000HV。

挑戰:

高硬度值導致的壓痕較小,難以識別

載荷較低(0.3~5kg)和高的放大倍率導致壓痕的識別度很低

材料表面很暗導致壓痕的清晰度很低

對於橫截面,需精確地將測試點定位在塗層樣品的中心

較低的載荷力和較差的測試表面,有可能會導致自動測量壓痕對角線時不精準,需要手動修正。此時如果光學測量系統能夠提供良好對比度,會極大的提高自動化水平、降低手動修正的概率。

努氏測量方法的優勢:

在相同的載荷下,努氏硬度的壓痕要比維氏更小、更淺,但是測量努氏壓痕長方向對角線會更容易一些。

KIC斷裂韌性測試模塊

測試材料的斷裂韌性時,常規的做法是將樣品製備成規定的形狀,使用三點彎曲法。但是對於脆性較大的材料比如陶瓷,製備三點彎曲試樣的成功率較低,此時可考慮使用硬度法進行斷裂韌性的測試。QATM硬度計上可選的KIC模塊可精確測量壓痕裂紋長度,由軟體自動顯示KIC測量結果(基於如下的Shetty計算公式,也可按需求在軟體中加入其它公式算法),方便快捷。

QATM(Qness) Q10/30/60和Q150系列硬度計具有先進的光學系統質量,可簡化對陶瓷材料樣品的日常硬度測試,甚至可以檢測帶有陶瓷塗層的零件 - 根據樣品表面的情況和放大倍率,在複雜的樣品表面情況下進行測試時,也能實現壓痕圖像的自動識別。

Q10/30/60系列

試驗力範圍從0.25g至62.5kg(維氏、努氏、布氏)

定位精準

6位轉塔(可同時配備努氏和維氏壓頭)

Q150系列-Q150A或A+型常用於生產監管

試驗力範圍從1kg至250kg(適用維氏、努氏、布氏)

超堅固,結構緊湊

先進的光學系統可以提供出色的圖像質量

更多技術細節,敬請聯繫弈鎂。

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