应用先进的现代技术陶瓷增加歧管。他们是用于广泛的工具和设备,从锋利的工具到植入物,这适用性很大程度上是由于他们的机械韧性。然而,这种变化的过程是生产,所以每个设备应该直接测量其机械强度评估的部分就像来自工厂。这是通过仪器压痕测量杨氏模量和硬度,而不需要任何形式的残留印象成像。
仪器压痕或nanoindentation预付款的标准测试硬度,布氏硬度、维氏硬度计,洛氏和努氏试验。钻石(或更少通常另一个硬硬度计压头)对材料评估,推动力量和渗透由于这种联系不断测量应用程序的完整时间和删除这个力。这是因此优于传统评估方法只有一个参数,即变形的测量一个施力。它被公认为标准ISO和ASTM标准。通过这个测试,硬度(H)是作用力除以接触的投影面积,并给出GPa单位,但也可转换为维氏硬度(高压c)。恢复位移的测量压痕力的减少也可以用来找到当地的杨氏模量的测试材料(E)。
描述该技术的两个例子,第一个在钢化氧化锆叫CoorsTek TTZ。其晶粒尺寸约40µm和有晶间阶段(图1)。立方氧化锆(ZrO的谷物2)稳定的立方晶格形式分别替换,粒间硅混合着某种程度上的杂质,由于这种材料的衬底的存在。第二个测试是进行单晶氧化铝(Al2O3)。
做法如下:测量杨氏模量、硬度和维氏硬度使用标准技术,材料,和测试结果的比较与发表的结果对这些陶瓷材料。亚博网站下载这是紧随其后的是NanoBlitz 3 d的使用,这是一个由Nanomechanics压痕试验方法,生成一个表面地图CoorsTek TTZ内。
图1所示。CoorsTek TTZ氧化锆表面准备检测缩进。光阶段立方氧化锆;黑暗的阶段inter-granular二氧化硅。
亚博网站下载材料和方法
氧化铝直径2厘米的磁盘作为测试样本。盘的平脸被抛光光学正常的c-axis晶格,和测试是一个脸上c-axis方向相同。TTZ样本还盘约2厘米直径1厘米的厚度,但它必须抛光后购买适合的压痕试验。这样做是用粗磨水和碳化硅(从220年开始砂到600年)。的顶面用于测试进一步抛光介质起绒织物的6µm 1µm钻石使用extender酒精基地。最终波兰应用了两块布,一个较低的小睡和0.05µm硅胶,和振动抛光机使用0.06µm硅胶中起绒织物。
与从Nanomechanics iNano20压痕是40µm分开每个样本检测陶瓷按照ISO 14577标准的缩进。上的峰值力CoorsTek TTZ和氧化铝样品分别是25 mN和50 mN。20秒后加载期间,2秒的停留时间和卸货率与加载速率相同,80年第二期恒力对终止卸载应用程序使用。这是为了弥补热漂移(样本与热收缩和扩张),从而获得更准确的测量位移。总测试时间约为2分钟。
图2。加载时处方为标准化的压痕TTZ氧化锆(蓝色)和氧化铝(绿色)。
第三步利用Nanomechanics NanoBlitz 3 d地图一个正方形区域的表面CoorsTek TTZ,测量100到100年µmµm。这包括谷物和粒间空间。一组50 50个缺口将获得2500压痕,使用20 mn峰值力在每个位置。测试完成后在大约30分钟。
结果与讨论
如图3所示,每个样品测量的荷载位移曲线符合ISO 14577标准被用来计算杨氏模量的基本力学性能,硬度和维氏硬度见表1。
图3。荷载位移曲线为两个标准化的压痕TTZ氧化锆(蓝色)和氧化铝(绿色)。
表1。的总结和参考测量属性。
| 通过测量仪器压痕(ISO 14577) N = 20 |
参考价值 |
| 材料 |
部队(mN) |
E (GPa) |
H (GPa) |
HVc(公斤/毫米2) |
E (GPa) |
显微硬度(公斤/毫米2) |
泊松比 |
| 氧化铝(c-axis) |
50 |
435±14 |
29.9±1.15 |
2820±100 |
499年§[5] |
2200(高压)[6] |
0.23 [5] |
| CoorsTek TTZ |
25 |
249±9.7 |
17.0±0.69 |
1600±65 |
200年[1] |
1200(香港1公斤)[1] |
0.3 [1] |
§499 GPa是c-axis方向;E = 403 GPa垂直于c-axis [5]。
图4显示的结果NanoBlitz测试CoorsTek TTZ,派生的杨氏模量和硬度。
氧化铝的杨氏模量为435 GPa沿着c-axis相比是499 GPa的参考价值。这不能作为不准确,因为在a - b E值方向只有403 GPa,因为材料是各向异性,因为在任何轴压痕也依赖于其他轴的弹性。之间的测量值将因此下降值为每个轴。最具影响力的论文检测缩进奥利弗和法尔给441 GPa氧化铝c-axis值。
当CoorsTek TTZ值被认为是,E值高于一般报道批量测试,研究人员状态,原因是小范围的测试。仅仅是在颗粒相的凹陷处,仅是这一阶段获得的价值(立方氧化锆),相比体积弹性模量的值反映了颗粒和晶粒间的阶段,因此小。
维氏硬度测量值明显高于参考氧化铝和氧化锆的显微硬度。有必要记住塑性变形的可能性由于位错的产生和传播,这发生在晶体。这是受到规模的材料测试。小压痕,包括测试体积越小,变量是位错存在的机会。测试量越少,水晶似乎越强,因此,“压痕尺寸效应”。研究人员的意见,在高压测量差异c仅仅是由于规模小,无法用传统的方法测量显微硬度。这个细度测量仪器压痕的本身就是一种进步。
杨氏模量和硬度的映射(图4)也提供一个丰富的信息结构的CoorsTek TTZ在微观层面,显示了晶间相类似于低品位硅在其机械强度与杨氏模量约70 5 GPa的GPa和硬度。这种测试方法从而有助于调查这个陶瓷的特性并预测其力学性能与精度比批量测试的紧张,显微硬度和压缩。
图4。对于CoorsTek TTZ、表面硬度的地图(顶部)和杨氏模量(底部。中心的图像显示缩进数组(50 x 50)用于生成机械性能地图。
结论
总之,文中对纳米压痕技术的测试技术是有价值的在微观层面测试杨氏模量和硬度等力学性能,微观结构之间的关系,材料的体积。这是很重要的,因为组织基本材料的力学行为,证明了这项工作。较低的范围内,变形强度增加。当CoorsTek TTZ单独考虑,大部分杨氏模量是清楚地看到属性的出现不仅水晶立方氧化锆相,也非晶态晶间相。
承认
Nanomechanics公司欣然承认洞察TTZ微观结构由大卫·约翰斯。
引用和进一步阅读
- “TTZ氧化锆材料属性,“网址:http://www.coorstek.com去年访问2016-03-21。
- “金属Material亚博网站下载s-Instrumented材料硬度和压痕试验参数,“ISO 14577,国际标准化组织,瑞士日内瓦(2002)。
- “仪器压痕测试标准实践”E2546-07, ASTM国际,西肯肖霍肯PA (2007)。
- 西蒙斯g和H。单晶弹性常数,计算总属性:一个手册,2nd艾德,麻省理工学院出版社,Cambridge, MA (1971)。
- “蓝宝石(Al2O3)规范,”。
- 奥利弗,厕所和法尔通用”,一种改进的技术,确定使用载荷和位移传感压痕硬度和弹性模量实验中,材料研究杂志》上亚博网站下载7(6):1564 - 1583 (1992)。
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