التصنيف: الاختبارات الميكانيكية

Humidity-Controlled Nanoindentation of Polymer Materials

Application Note | Environmental Nanoindentation

Humidity-Controlled Nanoindentation of Polymer Films

Measuring Hardness and Creep Under Controlled Relative Humidity

Research & Experimental Testing

Duanjie Li, PhD & Andrea Novitsky

Visual Design & Editorial

أندرو شور

مقدمة

Polymers are viscoelastic materials, meaning their mechanical response can change with time and environmental conditions. Under sustained loading, they can gradually deform through creep, with the rate of deformation influenced by factors such as material properties, exposure time, temperature, and humidity.

As environmental humidity changes, the mechanical behavior of polymer materials can change as well. Measuring hardness and creep under controlled relative humidity provides a quantitative way to evaluate how moisture exposure affects polymer performance.

Why Humidity-Controlled Nanoindentation Matters

The mechanical properties of polymers can change as environmental humidity increases. As moisture is absorbed, polymers may exhibit mechano-sorptive effects, including accelerated creep and changes in deformation behavior under load.

Reliable characterization therefore requires more than measuring the material at a single ambient condition. Humidity-controlled nanoindentation enables hardness and creep to be measured while both the sample and indenter are maintained in a uniform controlled environment.

The NANOVEA Mechanical Tester uses an isolated humidity enclosure around the indentation tip and sample surface to maintain consistent relative humidity during testing. This helps minimize measurement drift caused by humidity gradients and provides a quantitative way to evaluate moisture-dependent mechanical behavior.

هدف القياس

The objective of this study was to evaluate how controlled relative humidity influences the hardness and creep behavior of a polymer film using nanoindentation.

The polymer film was tested in an isolated environment with uniform humidity surrounding both the sample and indenter, allowing its mechanical response to be measured under controlled moisture conditions.

نانوفيا PB1000 Advanced

اختبار ميكانيكي

شروط الاختبار

A polymer film was tested by nanoindentation at 25, 35, 45, 55, 65, and 75% relative humidity. Both the sample and indenter were maintained inside an isolated enclosure with uniform humidity controlled throughout the test.

Polymer film sample used for humidity-controlled nanoindentation testing.

A Berkovich diamond indenter was used with a maximum load of 10 mN. The load was applied and removed at 20 mN/min, and creep was measured from the change in indentation depth during a 10 s hold at maximum load.

Hardness was calculated using ASTM E2546 and the Oliver & Pharr method. The test conditions are summarized below.

Humidity (%)	25, 35, 45, 55, 65, 75
Maximum load	10 ملي نيوتن
معدل التحميل	20 ملي نيوتن / دقيقة
Unloading rate	20 ملي نيوتن / دقيقة
Creep time	10 s
Computation method	ASTM E2546 & Oliver & Pharr
Indenter type	Berkovich diamond

النتائج والمناقشة

The load-displacement curves show a progressive increase in penetration depth as relative humidity rises, indicating that the polymer film becomes more susceptible to deformation under the same applied load.

Between 25% and 55% relative humidity, hardness decreased gradually from approximately 0.60 to 0.54 GPa, while creep depth increased from 36 to 48 nm. At higher humidity, the changes became substantially more pronounced. Hardness decreased to 0.46 GPa at 65% RH and 0.31 GPa at 75% RH, while creep depth increased to 80 nm and 105 nm, respectively.

The original study attributes this stronger response at elevated humidity to moisture absorption and swelling of the polymer film. It identifies the transition between 55% and 65% RH as the range where swelling becomes significant, corresponding with the sharp increase in creep observed during indentation.

These results demonstrate why humidity can be an important test variable when evaluating polymers intended for moisture-rich environments. Measuring both hardness and creep across controlled humidity levels provides a more complete view of how the material responds mechanically as environmental conditions change.

Nanoindentation load-displacement curves at relative humidity levels from 25% to 75%.

Polymer hardness decreases while creep depth increases as relative humidity rises from 25% to 75%.

خاتمة

Humidity-controlled nanoindentation revealed a clear change in the mechanical response of the polymer film as relative humidity increased. Across the tested range from 25% to 75% RH, hardness progressively decreased while creep increased.

At 65% RH and above, the polymer exhibited substantially greater creep deformation during the hold at maximum load, corresponding with the sharper reduction in hardness observed at higher humidity.

By maintaining both the sample and indenter within an isolated environment of uniform relative humidity, the NANOVEA Mechanical Tester enables hardness and creep to be measured while minimizing the influence of humidity-gradient drift. This provides a quantitative method for evaluating the moisture-dependent mechanical behavior of polymer materials under controlled environmental conditions.

Frequently Asked Questions About Humidity-Controlled Nanoindentation

Why does humidity affect polymer hardness and creep?

Polymers can absorb moisture from the surrounding environment, which can alter their mechanical response. Depending on the material, increased moisture can reduce resistance to deformation and increase time-dependent creep. In this study, increasing relative humidity corresponded with decreasing hardness and increasing creep depth.

Can nanoindentation be performed under controlled humidity?

Yes. Nanoindentation can be performed inside a controlled environmental enclosure so that both the sample and indenter are exposed to a defined relative humidity during testing. This makes it possible to compare mechanical properties under different moisture conditions rather than relying solely on uncontrolled ambient laboratory conditions.

Why test polymers at controlled relative humidity instead of ambient conditions?

Ambient humidity can vary and may not represent the conditions a polymer experiences during storage, processing, or use. Controlling relative humidity allows the environmental condition to become a defined test variable, making it possible to determine whether changes in hardness, creep, or deformation behavior are associated with moisture exposure.

What mechanical properties can be measured under controlled humidity?

Depending on the test method, nanoindentation can evaluate properties including hardness, elastic modulus, and time-dependent creep behavior under controlled environmental conditions. In this study, hardness and creep were measured as relative humidity changed.

What materials can benefit from humidity-controlled nanoindentation?

Humidity-controlled testing can be particularly useful for polymers, thin films, coatings, and other materials whose mechanical behavior may be influenced by moisture absorption. The appropriate humidity range and indentation conditions depend on the material and application.

How can humidity-controlled nanoindentation support material development?

Testing across multiple relative humidity levels can reveal whether a material maintains its mechanical properties as environmental moisture changes. This can support material comparison, formulation development, coating evaluation, failure investigation, and the assessment of materials intended for humidity-sensitive applications.

Can NANOVEA perform humidity-controlled nanoindentation as a laboratory service?

Yes. NANOVEA can perform nanoindentation testing under controlled environmental conditions to evaluate properties such as hardness and creep as humidity changes. Test parameters can be selected according to the material, expected service conditions, and the specific engineering question being investigated.

Need Humidity-Controlled Nanoindentation for Your Material?

High Temperature Brinell Hardness Testing

Application Note | High Temperature Mechanical Testing

High Temperature Hardness Testing of Steel Using Brinell Indentation

Mapping Steel Hardness Loss from Room Temperature to 925°C with NANOVEA T2000 Tribometer

Research & Experimental Testing

Frank Liu

Visual Design & Editorial

أندرو شور

مقدمة

High temperature hardness testing provides insight into how the mechanical behavior of metals changes as temperature increases. Materials that exhibit high hardness at room temperature can soften significantly when exposed to elevated temperatures, making temperature-dependent hardness an important consideration when selecting materials for applications such as jet engines, high-temperature processing equipment, and other thermally demanding environments.

In this study, a steel sample was evaluated using Brinell indentation with the NANOVEA T2000 Tribometer. Hardness measurements were performed at 25, 200, 400, 600, 800, and 925°C to map the change in steel hardness with temperature. The results show a gradual reduction in hardness through approximately 600°C, followed by a much sharper decline at higher temperatures, resulting in an 84% decrease in hardness between room temperature and 925°C.

Why High Temperature Hardness Testing Matters

Hardness is a mechanical property that describes a material’s resistance to localized deformation. Higher hardness generally corresponds to greater resistance to indentation and permanent surface deformation.

Temperature can significantly alter this behavior. A material that remains hard at room temperature may soften as temperature increases, changing its mechanical response under elevated-temperature conditions. For materials intended for high-temperature applications, understanding these changes is important when evaluating their mechanical limits.

High temperature hardness testing makes it possible to measure these changes directly as temperature increases rather than relying only on room-temperature properties. In this study, the steel sample provides a clear example of how hardness can remain relatively stable over part of the temperature range before declining rapidly at higher temperatures.

هدف القياس

The objective of this study was to evaluate how the Brinell hardness of steel changes as temperature increases from room temperature to 925°C.

Using a 10 mm tungsten carbide (WC) ball, a load of 1000 N (~100 kgf) was applied to the steel sample at 25, 200, 400, 600, 800, and 925°C. The resulting indentations were measured using NANOVEA’s 3D Line Sensor to determine their diameter for Brinell hardness calculation.

نانوفيا T2000 حمولة عالية

مقياس الاحتكاك الهوائي

إجراء الاختبار

High temperature Brinell hardness testing was performed with the steel sample mounted inside the NANOVEA T2000 heated chamber. The sample was tested at six temperatures from 25°C to 925°C using a 10 mm tungsten carbide (WC) ball with an applied test force of 1000 N (~100 kgf).

The test parameters used throughout the study are summarized below.

Steel sample mounted in the NANOVEA T2000 high temperature chamber for Brinell hardness testing from 25°C to 925°C.

معلمات الاختبار

Test Parameter	High Temperature Brinell Hardness Setup
درجة حرارة	25, 200, 400, 600, 800, 925°C
Test force	1000 N (~100 kgf)
Force-diameter ratio	1
Ball material	Tungsten carbide (WC)
Ball diameter	10 ملم

Steel samples used in the high temperature Brinell hardness study from room temperature to 925°C.

النتائج والمناقشة

Brinell hardness was calculated from the applied force, ball diameter, and measured indentation diameter using the equation below:

Where F (kgf) is the applied force expressed in kilogram-force, D is the ball diameter, and d is the measured indentation diameter. Two diameter measurements were taken for each indent and averaged to determine the value of d used in the hardness calculation.

Load vs. time profile for the 1000 N Brinell indentations performed during high temperature hardness testing.

The loading curve shows the applied load profile used during indentation. A consistent 1000 N (~100 kgf) test force was used throughout the temperature series so that the resulting indentation dimensions and calculated hardness values could be compared across each test condition.

مسافة	Unit	A	B
HDist	مم	1.807	1.830

Brinell indentation measured at 800°C. Two diameter measurements of 1.807 mm and 1.830 mm were averaged to determine the indentation diameter used for hardness calculation.

At 800°C, the measured indentation diameters were 1.807 mm and 1.830 mm, producing an average diameter of approximately 1.819 mm. The indentation diameter increased substantially at the higher test temperatures as the steel became softer under the same applied load.

The measured indentation diameters were then used to calculate Brinell hardness at each temperature. The results show a relatively gradual decrease from 96.12 HBW at 25°C to 79.69 HBW at 600°C, followed by a much sharper decrease to 38.18 HBW at 800°C and 15.40 HBW at 925°C.

Brinell Hardness Results

Temperature (°C)	Diameter 1 (mm)	Diameter 2 (mm)	Average Diameter (mm)	HBW (10/100)
High Temperature Brinell Hardness Results
25	1.153	1.145	1.149	96.12
200	1.150	1.201	1.176	91.82
400	1.165	1.261	1.213	86.21
600	1.265	1.258	1.262	79.69
800	1.807	1.830	1.819	38.18
925	2.858	2.833	2.846	15.40

The temperature-dependent trend is clear. Steel hardness decreased moderately between room temperature and 600°C, then declined rapidly at higher temperatures. Between 25°C and 925°C, the measured Brinell hardness decreased from 96.12 to 15.40 HBW, representing an overall hardness loss of approximately 84%.

These results demonstrate why hardness measured at room temperature alone may not fully represent material behavior in high-temperature applications. For this steel sample, the most substantial loss in hardness occurred above approximately 600°C.

خاتمة

High temperature hardness testing revealed a strong temperature-dependent change in the Brinell hardness of the steel sample. Hardness decreased gradually as temperature increased from 25°C to 600°C, then declined much more sharply at higher temperatures. By 925°C, the measured hardness had fallen from 96.12 HBW to 15.40 HBW, representing an overall decrease of approximately 84%.

The study demonstrates the ability of the NANOVEA T2000 Tribometer to perform Brinell hardness measurements under elevated-temperature conditions. Using a 1000 N (~100 kgf) test force, the steel sample was evaluated from 25°C to 925°C, allowing its change in hardness to be measured directly across the tested temperature range.

The results also highlight the importance of selecting an appropriate force-diameter ratio across a wide temperature range. Because of the large difference in hardness between room temperature and high temperature, the study recommends a force-diameter ratio of 5 or 10 at lower temperatures, while a ratio of 1 is suitable above 900°C.

Frequently Asked Questions About High Temperature Hardness Testing

What is high temperature hardness testing used for?

High temperature hardness testing evaluates how a material’s resistance to indentation changes as temperature increases. It is useful for materials intended for thermally demanding applications where room-temperature hardness may not represent mechanical behavior at operating temperature.

Can Brinell hardness be measured at elevated temperatures?

Yes. Elevated-temperature Brinell hardness testing applies a controlled force using a ball of known diameter while the specimen is heated to the required test temperature. In this study, steel was tested from 25°C to 925°C using a 10 mm tungsten carbide ball and a 1000 N test force.

Why measure hardness while the material is hot?

Testing at temperature measures hardness under the thermal condition of interest rather than only after the specimen returns to room temperature. This makes it possible to directly characterize temperature-dependent softening and identify changes that may not be represented by room-temperature hardness values.

What equipment is used for high temperature hardness testing?

High temperature hardness testing requires controlled specimen heating, precise mechanical loading and measurement of the resulting indentation. The NANOVEA T2000 can integrate high-temperature environmental control with mechanical testing for evaluating material behavior under elevated-temperature conditions.

Can high temperature hardness testing be used for aerospace materials?

Yes. Elevated-temperature hardness measurements are relevant when evaluating materials intended for thermally demanding aerospace environments, including jet-engine and other high-temperature components. Testing helps characterize how hardness changes as exposure temperature increases.

Can NANOVEA perform high temperature hardness testing as a laboratory service?

NANOVEA provides materials testing services using its mechanical testing and tribology platforms. Application requirements, temperature range, load, specimen geometry and measurement method can be reviewed with a NANOVEA applications engineer to determine an appropriate high-temperature testing approach.

Need High Temperature Hardness Testing for Your Material?

اختبار مقاومة الخدش لواقيات شاشة الهاتف للخدش

أُعدت بواسطة

ستايسي بيريرا وجوسلين إسبارزا وبيير لورو

فهم مقاومة الخدش في واقيات شاشة الهاتف المحمول

تلعب الطلاءات الواقية على شاشات الهواتف دورًا حاسمًا في مقاومة الخدوش وقوة الالتصاق والمتانة على المدى الطويل. وبمرور الوقت، يمكن أن تؤدي الخدوش والتشققات الدقيقة وتشققات الطلاء إلى تقليل الوضوح البصري والموثوقية - خاصة في البيئات عالية الاستخدام. لتقييم كيفية مقاومة واقيات الشاشة المختلفة للضرر الميكانيكي، يوفر اختبار الخدش باستخدام الأجهزة رؤية قابلة للقياس الكمي لآليات فشل الطلاء، بما في ذلك الالتصاق والتماسك وسلوك الكسر.

في هذه الدراسة, جهاز اختبار ميكانيكي NANOVEA PB1000 يستخدم لمقارنة واقيات الشاشة المصنوعة من مادة TPU مقابل واقيات الشاشة المصنوعة من الزجاج المقسّى تحت التحميل التدريجي المتحكم به. باستخدام الكشف الدقيق للانبعاثات الصوتية، نحدد أحمال الفشل الحرجة ونميز كيفية استجابة كل مادة لزيادة الضغط الميكانيكي.

لماذا يعتبر اختبار مقاومة الخدش مهمًا بالنسبة لواقيات الشاشة

يفترض العديد من المستخدمين أن الواقيات الأكثر سمكًا أو الأكثر صلابة يكون أداؤها تلقائيًا أفضل، ولكن المتانة الحقيقية تعتمد على كيفية تصرف المادة تحت الحمل التدريجي وتشوه السطح والإجهاد الموضعي. يسمح اختبار الخدش الآلي للمهندسين بقياس التصاق الطلاء وقوة التماسك ومقاومة تآكل السطح والأحمال الدقيقة التي تبدأ عندها الأعطال أو تنتشر.

من خلال تحليل نقاط بدء التصدع وسلوك التفكك وأنماط الفشل، يمكن للمصنعين التحقق من أداء واقي الشاشة لأغراض البحث والتطوير أو مراقبة الجودة أو القياس المقارن. يوفر اختبار الخدوش النانوية والخدوش الدقيقة رؤية قابلة للتكرار وقائمة على البيانات حول المتانة في العالم الحقيقي بما يتجاوز تقييمات الصلابة التقليدية.

هدف اختبار الخدش:
قياس أحمال الفشل في واقيات الشاشة

الهدف من هذه الدراسة هو توضيح كيفية قيام جهاز الاختبار الميكانيكي NANOVEA PB1000 بإجراء اختبار مقاومة الخدش القياسي القابل للتكرار على واقيات الشاشة البوليمرية والزجاجية. من خلال زيادة الحمل المطبق تدريجيًا، يكتشف النظام الأحمال الحرجة لفشل التماسك والالتصاق، ويلتقط إشارات الانبعاثات الصوتية، ويربط هذه الأحداث بعمق الخدش وقوة الاحتكاك وتشوه السطح.

توفر هذه المنهجية صورة ميكانيكية كاملة لكل طلاء واقٍ، مما يسمح للمصنعين وفرق البحث والتطوير بتقييم تركيبات المواد وقوة التصاق الطلاء ومتانة السطح والسماكة المثلى للطلاء لتحسين أداء المنتج. تُعد تقييمات الخدش هذه جزءًا من مجموعة NANOVEA الأوسع نطاقًا من حلول الاختبارات الميكانيكية تُستخدم لتوصيف الطلاءات والأغشية والركائز في بيئات البحث والتطوير ومراقبة الجودة والإنتاج.

نانوفيا المنصة الكبيرة PB1000
اختبار ميكانيكي

معلمات اختبار الخدش وإعداد الجهاز

تم إجراء تقييم مقاومة الخدش لواقيات الشاشة المصنوعة من البولي يوريثان البولي يوريثان والزجاج المقسّى في ظل ظروف محكومة لضمان إمكانية التكرار والكشف الدقيق عن حمل الفشل. تحدد المعلمات التالية إعداد اختبار الخدش بالحمل التدريجي المستخدم في جهاز الاختبار الميكانيكي NANOVEA PB1000.

نوع التحميل	متقدم
التحميل الابتدائي	0.1 N
التحميل النهائي	12 N
سرعة انزلاق	3.025 مم/دقيقة
مسافة انزلاق	٣ مم
الهندسة للكرة المستخدمة كخارق	روكويل (مخروط 120 درجة)
مادة المسافة البادئة (طرف)	دياموند
نصف قطر الخارق	50 ميكرومتر
أَجواء	الهواء
درجة حرارة	24 درجة مئوية (درجة حرارة الغرفة)

الجدول 1: معلمات الاختبار المستخدمة في اختبار الخدش

عينة من واقي الشاشة مثبتة على جهاز الاختبار الميكانيكي NANOVEA PB1000 أثناء قياس الخدش بالحمل التدريجي.

عينات واقي الشاشة المستخدمة لاختبار مقاومة الخدش

تم اختيار مادتي واقي شاشة متوفرتين تجاريًا لمقارنة الاختلافات في مقاومة الخدش وسلوك الفشل والمتانة الميكانيكية. تم تركيب كلتا العينتين بإحكام على جهاز الاختبار الميكانيكي NANOVEA PB1000 وتم تقييمهما في ظروف تحميل تدريجي متطابقة لضمان إجراء مقارنة متسقة وغير متحيزة.

يمثل واقي الشاشة TPU طبقة بوليمرية مرنة ذات مرونة عالية ولكن مقاومة أقل للتآكل، بينما يمثل واقي الشاشة المصنوع من الزجاج المقسّى مادة صلبة وهشة مصممة لصلابة عالية وحماية معززة من الصدمات. يتيح اختبار كلتا المادتين تحت نفس ملف التحميل تقييمًا واضحًا لكيفية تأثير تركيبة المادة ومرونتها وصلابتها على أنماط فشل الخدش.

واقي الشاشة TPU

زجاج مقسّى

شكل ١: واقيات الشاشة المصنوعة من مادة TPU والزجاج المقسّى والمعدّة لاختبار مقاومة الخدوش.

نتائج اختبار الخدش: أنماط الفشل في واقيات الشاشة المصنوعة من مادة TPU مقابل واقيات الشاشة المصنوعة من الزجاج المقوى

نوع واقي الشاشة	الحمولة الحرجة #1 (ن)	الحمولة الحرجة #2 (ن)
TPU	غير متاح	2.004 ± 0.063
زجاج معالج بالحرارة	3.608 ± 0.281	7.44 ± 0.995

الجدول 2: ملخص الأحمال الحرجة لكل عينة من واقيات الشاشة.

نظرًا لأن واقيات الشاشة المصنوعة من البولي بروبيلين المقوى (TPU) والزجاج المقسى لها خواص ميكانيكية مختلفة اختلافًا جوهريًا، فقد أظهرت كل عينة أنماط فشل مميزة وعتبات حمل حرجة أثناء اختبار الخدش التدريجي للحمل. يلخص الجدول 2 الأحمال الحرجة المقاسة لكل مادة.

يمثّل الحمل الحرج #1 أول نقطة يمكن ملاحظتها لفشل التماسك تحت المجهر الضوئي، مثل بدء التشقق أو الكسر الشعاعي.

يتوافق الحمل الحرج #2 مع أول حدث كبير يتم اكتشافه من خلال رصد الانبعاثات الصوتية (AE)، والذي يمثل عادةً فشلًا هيكليًا أكبر أو حدث اختراق.

واقي الشاشة TPU - سلوك البوليمر المرن

أظهر واقي شاشة TPU حدثًا حرجًا واحدًا مهمًا (الحمل الحرج #2). يتوافق هذا الحمل مع النقطة على طول مسار الخدش حيث بدأ الغشاء في الرفع أو التقشير أو الانفصال عن سطح شاشة الهاتف.

بمجرد تجاوز الحمولة الحرجة #2 (≈2.00 نيوتن)، اخترقت أداة التسديد بما يكفي لإحداث خدش مرئي مباشرةً على شاشة الهاتف لبقية الاختبار. لم يكن بالإمكان اكتشاف أي حدث منفصل للحمل الحرج #1، بما يتفق مع مرونة المادة العالية وقوة التماسك المنخفضة.

واقي الشاشة الزجاجي المقسّى - سلوك الفشل الهش

أظهر واقي الشاشة المصنوع من الزجاج المقسّى حمولتين حرجتين متميزتين من خصائص المواد الهشة:

الحمل الحرج #1 (≈3.61 نيوتن): لوحظت كسور شعاعية وبدء التشقق تحت المجهر، مما يشير إلى فشل التماسك المبكر للطبقة الزجاجية.
الحمل الحرج #2 (≈7.44 نيوتن): يشير الارتفاع الكبير في درجة حرارة AE والزيادة الحادة في عمق الخدش إلى اختراق الواقي عند الأحمال الأعلى.

على الرغم من أن حجم الإنبعاثات الكهرومغناطيسية كان أعلى من TPU، إلا أنه لم ينتقل أي ضرر إلى شاشة الهاتف، مما يدل على قدرة الواقي المصنوع من الزجاج المقسى على امتصاص وتوزيع الحمل قبل حدوث عطل كارثي.

في كلتا المادتين، يتوافق الحمل الحرج #2 مع اللحظة التي اخترقت فيها المسافة البادئة واقي الشاشة، مما يؤكد الحد الحمائي لكل عينة.

واقي شاشة TPU: بيانات اختبار الخدش وتحليل الأعطال

يخدش	الحمولة الحرجة #2 (ن)
1	2.033
2	2.047
3	1.931
متوسط	2.003
الانحراف المعياري	0.052

الجدول 3: الأحمال الحرجة التي تم قياسها أثناء اختبار خدش واقي الشاشة TPU.

الشكل 2: قوة الاحتكاك، والحمل العادي، والانبعاث الصوتي (AE)، وعمق الخدش مقابل طول الخدش لواقي الشاشة TPU. (ب) الحمل الحرج #2

الشكل 3: صورة مجهرية بصرية لواقي شاشة TPU عند التحميل الحرج #2 (تكبير 5×؛ عرض الصورة 0.8934 مم).

الشكل 4: صورة كاملة الطول بعد الخدش لواقي شاشة TPU تُظهر مسار الخدش الكامل بعد اختبار التحميل التدريجي.

واقي الشاشة الزجاجي المقسّى: بيانات الحمولة الحرجة وسلوك الكسر

يخدش	الحمولة الحرجة #1 (ن)	الحمولة الحرجة #2 (ن)
1	3.923	7.366
2	3.382	6.483
3	3.519	8.468
متوسط	3.653	6.925
الانحراف المعياري	0.383	0.624

الجدول 4: الأحمال الحرجة التي تم قياسها أثناء اختبار خدش واقي الشاشة الزجاجي الحراري.

ℹ️ للمقارنة مع طلاءات البوليمر غير السيليكات، انظر دراستنا عن اختبار تآكل طلاء PTFE, والذي يسلط الضوء على سلوك الفشل في أغشية البوليمر منخفضة الاحتكاك في ظل ظروف تحميل تدريجي مماثلة.

الشكل 5: قوة الاحتكاك، والحمل العادي، والانبعاث الصوتي (AE)، وعمق الخدش مقابل طول الخدش لواقي الشاشة الزجاجي المقسّى. (أ) الحمل الحرج #1 (ب) الحمل الحرج #2

الشكل 6: صور مجهرية ضوئية تُظهر مواقع الفشل للحمل الحرج #1 (يسار) والحمل الحرج #2 (يمين) بتكبير 5× (عرض الصورة: 0.8934 مم).

الشكل 7: صورة مجهرية ضوئية بعد الاختبار لمسار خدش الزجاج المقسّى، تبرز بدء الكسر (CL#1) ومنطقة الاختراق النهائي (CL#2) بعد اختبار الحمل التدريجي.

الخلاصة: مقارنة الأداء ضد الخدش بين واقيات الشاشة المصنوعة من مادة TPU مقابل واقيات الشاشة الزجاجية المقواة

توضح هذه الدراسة كيف أن جهاز الاختبار الميكانيكي NANOVEA PB1000 يوفر قياسات مقاومة الخدش الميكانيكية التي يمكن التحكم فيها وتكرارها وحساسيتها العالية باستخدام التحميل التدريجي والكشف عن الانبعاثات الصوتية (AE). ومن خلال الالتقاط الدقيق لأحداث الفشل المتماسكة واللاصقة على حد سواء، يتيح النظام إجراء مقارنة واضحة لكيفية تصرف واقيات الشاشة المصنوعة من البولي يوريثان ثلاثي البولي يوريثان والزجاج المقسى تحت ضغط ميكانيكي متزايد.

تؤكد النتائج التجريبية أن الزجاج المقسّى يُظهر أحمالاً حرجة أعلى بكثير من البولي يوريثان تيرفثالات البولي يوريثان TPU، مما يوفر مقاومة فائقة للخدش وتأخر بدء الكسر وحماية موثوقة ضد اختراق البادئ. تسلط قوة التماسك المنخفضة لبلاستيك TPU والتفكك المبكر الضوء على محدوديته في البيئات عالية الضغط.

بعد تحديد أحمال الأعطال، يمكن أيضًا تحليل مسارات الخدش الناتجة باستخدام مقياس الملامح البصري ثلاثي الأبعاد غير المتصل لقياس عمق الأخدود والتشوه المتبقي وتضاريس ما بعد الخدش. يساعد ذلك في استكمال المظهر الميكانيكي لكل مادة.

صُمم جهاز الاختبار الميكانيكي NANOVEA لاختبار المسافة البادئة والخدش والتآكل بدقة وقابلة للتكرار، ويدعم وحدات النانو والميكرو المتوافقة مع معايير ISO و ASTM. إن تعدد استخداماته يجعله حلاً مثاليًا لتقييم المظهر الميكانيكي الكامل للأغشية الرقيقة والطلاءات والبوليمرات والنظارات والركائز في مجالات البحث والتطوير والإنتاج ومراقبة الجودة.

الأسئلة المتداولة
حول اختبار مقاومة الخدش

ما هو اختبار مقاومة الخدش؟

يقيّم اختبار مقاومة الخدش كيفية استجابة المادة أو الطلاء عندما يطبق قلم ماسي حملاً متزايدًا تدريجيًا. يحدد الاختبار الأحمال الحرجة التي يحدث فيها فشل في التماسك أو الالتصاق، مما يوفر مقياسًا قابلاً للقياس الكمي لقوة التحمل وقوة الالتصاق ومقاومة التلف السطحي.

ما الفرق بين فشل التماسك والالتصاق؟

يحدث فشل التماسك ضمن الطلاء أو المادة، مثل التشقق أو التمزق أو الكسر الداخلي.
يحدث تعطل المادة اللاصقة عندما ينفصل الطلاء عن الركيزة، مما يشير إلى عدم كفاية قوة الترابط.

يكتشف جهاز NANOVEA PB1000 كلاهما باستخدام مراقبة الانبعاثات الصوتية المتزامنة وتتبع عمق الخدش وتحليل الاحتكاك.

لماذا استخدام جهاز اختبار ميكانيكي بدلاً من الطرق اليدوية؟

يوفر جهاز الاختبار الميكانيكي مثل NANOVEA PB1000 قياسات دقيقة وقابلة للتكرار وموحدة، مما يضمن بيانات موثوقة للبحث والتطوير والتحقق من صحة الإنتاج ومراقبة الجودة. كما أنه يوفر ميزات متقدمة، مثل الكشف عن الانبعاثات الصوتية ومراقبة العمق في الوقت الحقيقي، والتي لا يمكن للطرق اليدوية توفيرها.

هل تحتاج إلى اختبار خدش موثوق للمواد الخاصة بك؟

اختبار ارتداء طلاء PTFE

اختبار ارتداء طلاء بولي رباعي فلورو الإيثيلين (PTFE)

بإستخدام الترايبومتر و جهاز فحوصات الميكانيكية

أُعدت بواسطة

دوانجي لي ، دكتوراه

مقدمة

بولي رباعي فلورو الإيثيلين (PTFE)، المعروف باسم تفلون، هو بوليمر ذو معامل احتكاك (COF) منخفض بشكل استثنائي ومقاومة تآكل ممتازة ، اعتمادًا على الأحمال المطبقة. يُظهر PTFE خمولًا كيميائيًا فائقًا ، ونقطة انصهار عالية تبلغ ٣٢٧ درجة مئوية، ويحافظ على قوة عالية وصلابة وتزييت ذاتي في درجات حرارة منخفضة. إن مقاومة التآكل الاستثنائية لطلاءات PTFE تجعلها مطلوبة بشدة في مجموعة واسعة من التطبيقات الصناعية ، مثل السيارات ، والفضاء ، والطبية ، ولا سيما أدوات الطبيخ.

أهمية التقييم الكمي لطلاءات PTFE

إن الجمع بين عامل الاحتكاك المنخفض للغاية (COF) ، ومقاومة التآكل ، والخمول الكيميائي الاستثنائي في درجات الحرارة العالية يجعل PTFE خيارًا مثاليًا لطلاء الأواني غير اللاصقة. لزيادة تعزيز عملياتها الميكانيكية أثناء البحث والتطوير ، فضلاً عن ضمان التحكم الأمثل في الوقاية من الأعطال وتدابير السلامة في عملية مراقبة الجودة ، من الأهمية بمكان أن يكون لديك تقنية موثوقة لتقييم الكمية لعمليات تريبوميكانيكية لطلاء PTFE. يعد التحكم الدقيق في احتكاك السطح والتآكل والالتصاق بالطلاء ضروريًا لضمان الأداء المطلوب.

هدف القياس

في هذا التطبيق ، تتم محاكاة عملية التآكل لطلاء PTFE لحوض غير لاصق باستخدام الترايبومتر من NANOVEA في وضع التردد الخطي.

نانوفيا T50 المدمج
مقياس الاحتكاك الحر

بالإضافة ، تم استخدام جهاز اختبار NANOVEA الميكانيكي لإجراء اختبار التصاق الخدش الدقيق لتحديد الحمل الحرج لفشل التصاق طلاء PTFE.

نانوفيا منصة كبيرة PB1000 اختبار ميكانيكي

إجراء الاختبار

إختبار الإرتداء

ارتداء متراجع الخطي باستخدام الترايبومتر

تم تقييم السلوك الاحتكاكي لعينة طلاء PTFE، بما في ذلك معامل الاحتكاك (COF) ومقاومة التآكل، باستخدام NANOVEA. ثلاثي الأبعاد في الوضع الترددي الخطي. تم استخدام طرف كروي من الفولاذ المقاوم للصدأ 440 بقطر 3 مم (درجة 100) ضد الطلاء. تمت مراقبة COF بشكل مستمر أثناء اختبار تآكل طلاء PTFE.

تم حساب معدل التآكل، K، باستخدام الصيغة K=V/(F×s)=A/(F×n)، حيث يمثل V الحجم البالي، وF هو الحمل العادي، وs هي مسافة الانزلاق، وA هي مساحة المقطع العرضي لمسار التآكل، وn هو عدد السكتات الدماغية. تم تقييم ملفات تعريف مسار التآكل باستخدام NANOVEA المقياس الضوئي، وتم فحص مورفولوجيا مسار التآكل باستخدام المجهر الضوئي.

ارتداء معلمات الاختبار

حمولة	٣٠ نيوتن
مدة الاختبار	٥ دقائق
معدل الانزلاق	٨٠ دورة في الدقيقة
توسيع المسار	٨٠ ملم
الثورات	300
قطر الكرة	٣ مم
مادة الكرة	Stainless Steel 440
المزلق	لا أحد
أَجواء	هواء
درجة حرارة	٢٣٠ درجة مئوية (حرارة الغرفة)
رطوبة	43%

إجراء الاختبار

اختبار الخدش

اختبار الالتصاق الدقيق باستخدام جهاز اختبار ميكانيكي

تم إجراء قياس التصاق الخدش PTFE باستخدام NANOVEA اختبار ميكانيكي مع قلم ماسي 1200 Rockwell C (نصف قطر 200 ميكرومتر) في وضع اختبار Micro Scratch.

لضمان استنساخ النتائج ، تم إجراء ثلاثة اختبارات في ظل ظروف اختبار متطابقة.

معلمات اختبار الخدش

نوع التحميل	تدريجي
التحميل الابتدائي	٠.٠١ ملي نيوتن
التحميل النهائي	٢٠ ملي نيوتن
معدل التحميل	40 ملي نيوتن / دقيقة
طول الخدش	٣ مم
سرعة الخدش ، (dx / dt)	٦.٠ مم / دقيقة
الهندسة للكرة المستخدمة كخارق	١٢٠ درجة (Rockwell C)
مادة الكرة المستخدمة كخارق	الماس
نصف قطر الخارق	٢٠٠ ميكرومتر

النتائج والمناقشة

ارتداء متراجع الخطي باستخدام الترايبومتر

يظهر الشكل 1. COF المسجل في الموقع. أظهرت عينة الاختبار COF ~ 0.18 خلال أول 130 دورة، وذلك بسبب انخفاض لزوجة PTFE. ومع ذلك، كانت هناك زيادة مفاجئة في COF إلى ~1 بمجرد اختراق الطبقة، مما يكشف عن الركيزة الموجودة تحتها. بعد الاختبارات الترددية الخطية، تم قياس ملف مسار التآكل باستخدام NANOVEA مقياس عدم الاتصال البصري، كما هو مبين في الشكل 2. من البيانات التي تم الحصول عليها، تم حساب معدل التآكل المقابل ليكون ~2.78 × 10-3 مم3/نيوتن متر، في حين تم تحديد عمق مسار التآكل ليكون 44.94 ميكرومتر.

إعداد اختبار تآكل طلاء PTFE باستخدام الT50 ترايبومتر من Nanovea

شكل ١: تطور COF أثناء اختبار تآكل طلاء PTFE.

الشكل 2: الاستخراج الاحترافي لمسار التآكل PTFE.

PTFE قبل الاختراق

ماكس COF	0.217
حد أدنى COF	0.125
متوسط COF	0.177

PTFE بعد اختراق

ماكس COF	0.217
حد أدنى COF	0.125
متوسط COF	0.177

الجدول 1: COF قبل وبعد الاختراق أثناء اختبار التآكل.

النتائج والمناقشة

اختبار الالتصاق الدقيق باستخدام جهاز اختبار ميكانيكي

يتم قياس التصاق طلاء PTFE على الركيزة باستخدام اختبارات الخدش باستخدام قلم ماسي 200 ميكرون. يتم عرض الصورة المجهرية في الشكل 3 والشكل 4 ، تطور COF ، وعمق الاختراق في الشكل 5. تم تلخيص نتائج اختبار خدش طلاء PTFE في الجدول 4. مع زيادة الحمل على القلم الماسي ، تغلغل تدريجياً في الطلاء ، مما أدى إلى زيادة في COF. عندما تم الوصول إلى حمولة ~ 8.5 نيوتن ، حدث اختراق للطلاء وتعرض الركيزة تحت ضغط عالٍ ، مما أدى إلى ارتفاع COF ~ 0.3. يوضح انخفاض St Dev الموضح في الجدول 2 إمكانية تكرار اختبار خدش طلاء PTFE الذي تم إجراؤه باستخدام جهاز اختبار NANOVEA الميكانيكي.

الشكل 3: صورة مجهرية للخدش الكامل على PTFE (10x).

الشكل 4: صورة مجهرية للخدش الكامل على PTFE (10x).

الشكل 5: يوضح الرسم البياني الاحتكاك خط النقطة الحرجة لفشل PTFE.

*يخدش*	*نقطة الفشل [N]*	*قوة الاحتكاك [N]*	*COF*
1	0.335	0.124	0.285
2	0.337	0.207	0.310
3	0.380	0.229	0.295
متوسط	8.52	2.47	0.297
سانت ديف	0.17	0.16	0.012

الجدول 2: ملخص للحمل الحرج وقوة الاحتكاك و COF أثناء اختبار الخدش.

خاتمة

في هذه الدراسة ، أجرينا محاكاة لعملية التآكل لطلاء PTFE للأواني غير اللاصقة باستخدام مقياس NANOVEA T50 ثلاثي الأبعاد في وضع التردد الخطي. أظهر طلاء PTFE انخفاض COF بمقدار 0.18 تقريبًا ، وشهد الطلاء اختراقًا في حوالي 130 دورة. تم إجراء التقييم الكمي لالتصاق طلاء PTFE بالركيزة المعدنية باستخدام جهاز اختبار NANOVEA الميكانيكي الذي حدد الحمل الحرج لفشل التصاق الطلاء ليكون 8.5 نيوتن تقريبًا في هذا الاختبار.

توفر أجهزة قياس ثلاثي NANOVEA قدرات اختبار تآكل واحتكاك دقيقة وقابلة للتكرار باستخدام أوضاع دوارة وخطية متوافقة مع ISO و ASTM. إنها توفر وحدات اختيارية للتآكل والتشحيم والتآكل الناتج عن درجات الحرارة العالية ، وكلها مدمجة في نظام واحد. يتيح هذا التنوع للمستخدمين محاكاة بيئات التطبيقات الواقعية بشكل أكثر دقة واكتساب فهم جيد لآليات التآكل والخصائص الترايبولوجية للمواد المختلفة.

تتوفر أجهزة اختبار NANOVEA الميكانيكية على وحدات Nano و Micro و Macro ، كل منها يتضمن أوضاع اختبار المسافة البادئة والخدش والتآكل المتوافقة مع ISO و ASTM ، مما يوفر أوسع مجموعة من إمكانيات الاختبار المتاحة في نظام واحد وأكثرها سهولة في الاستخدام.

هل لديك تطبيق مماثل؟

التحليل الميكانيكي الديناميكي للفلين باستخدام Nanoindentation

التحليل الميكانيكي الديناميكي

من الفلين باستخدام NANOINDENTATION

أُعدت بواسطة

فرانك ليو

مقدمة

التحليل الميكانيكي الديناميكي (DMA) هو تقنية قوية تستخدم لفحص الخواص الميكانيكية للمواد. في هذا التطبيق ، نركز على تحليل الفلين ، وهو مادة مستخدمة على نطاق واسع في عمليات ختم النبيذ والشيخوخة. يُظهر الفلين ، الذي تم الحصول عليه من لحاء شجرة البلوط Quercus suber ، هياكل خلوية متميزة توفر خصائص ميكانيكية تشبه البوليمرات الاصطناعية. في أحد المحاور ، يحتوي الفلين على هيكل قرص العسل. تم بناء المحورين الآخرين في مناشير متعددة مستطيلة الشكل. وهذا يعطي الفلين خواص ميكانيكية مختلفة حسب الاتجاه الذي يجري اختباره.

أهمية اختبار التحليل الميكانيكي الديناميكي (DMA) في تقييم الخصائص الميكانيكية للفلين

تعتمد جودة الفلين بشكل كبير على خواصها الميكانيكية والفيزيائية ، والتي تعتبر حاسمة في فعاليتها في ختم النبيذ. تشمل العوامل الرئيسية التي تحدد جودة الفلين: المرونة والعزل والمرونة وعدم نفاذية الغاز والسوائل. من خلال استخدام اختبار التحليل الميكانيكي الديناميكي (DMA) ، يمكننا تقييم خصائص المرونة والمرونة للفلين ، مما يوفر طريقة موثوقة للتقييم.

جهاز الاختبار الميكانيكي NANOVEA PB1000 في nanoindentation يتيح الوضع توصيف هذه الخصائص ، وبالتحديد معامل يونغ ، ومعامل التخزين ، ومعامل الفقد ، ودلتا tan (tan (δ)). يسمح اختبار التحليل الميكانيكي الديناميكي (DMA) أيضًا بجمع البيانات القيمة عن تحول الطور والصلابة والإجهاد والانفعال في مادة الفلين. من خلال هذه التحليلات الشاملة ، نكتسب رؤى أعمق في السلوك الميكانيكي للفلين ومدى ملاءمتها لتطبيقات ختم النبيذ.

هدف القياس

في هذه الدراسة ، قم بإجراء التحليل الميكانيكي الديناميكي (DMA) على أربعة سدادات من الفلين باستخدام NANOVEA PB1000 Mechanical Tester في وضع Nanoindentation. يتم تصنيف جودة سدادات الفلين على النحو التالي: 1 - فلور ، 2 - أولاً ، 3 - كولماتيد ، 4 - مطاط صناعي. تم إجراء اختبارات المسافة البادئة للتحليل الميكانيكي الديناميكي (DMA) في كلا الاتجاهين المحوري والقطري لكل سدادة من الفلين. من خلال تحليل الاستجابة الميكانيكية لسدادات الفلين ، كنا نهدف إلى اكتساب رؤى حول سلوكهم الديناميكي وتقييم أدائهم في ظل توجهات مختلفة.

نانوفيا

PB1000

معلمات الاختبار

ماكس فورس	75 مليون
معدل التحميل	150 ملي نيوتن / دقيقة
معدل التفريغ	150 ملي نيوتن / دقيقة
توسيع	5 ملي نيوتن
تكرار	1 هرتز
زحف	60 ثانية

نوع إندينتر

كرة

51200 فولاذ

قطر 3 مم

نتائج

في الجداول والرسوم البيانية أدناه ، تتم مقارنة معامل Young ، ومعامل التخزين ، ومعامل الفقد ، ودلتا tan بين كل عينة واتجاه.

معامل يونج: Sti نيس. تشير القيم العالية إلى sti ، القيم المنخفضة تشير إلى وجود قابلة للإعجاب.

معامل التخزين: استجابة مرنة الطاقة المخزنة في المادة.

معامل الخسارة: استجابة لزجة الطاقة المفقودة بسبب الحرارة.

تان (δ): التبليل. تشير القيم العالية إلى مزيد من التخميد.

التوجه المحوري

*سدادة*	*معامل يونج*	*معامل التخزين*	*وحدة الخسارة*	*تان*
#	*(مبا)*	*(مبا)*	*(مبا)*	*(δ)*
1	22.5675	22.27209	3.624947	0.162964
2	18.54664	18.27153	3.162349	0.17409
3	23.75381	23.47267	3.617819	0.154592
4	23.6972	23.58064	2.347008	0.099539

التوجيه الشعاعي

*سدادة*	*معامل يونج*	*معامل التخزين*	*وحدة الخسارة*	*تان*
#	*(مبا)*	*(مبا)*	*(مبا)*	*(δ)*
1	24.78863	24.56542	3.308224	0.134865
2	26.66614	26.31739	4.286216	0.163006
3	44.07867	43.61426	6.365979	0.146033
4	28.04751	27.94148	2.435978	0.087173

معامل يونج

معامل التخزين

وحدة الخسارة

تان دلتا

بين سدادات الفلين ، لا يختلف معامل Young كثيرًا عند اختباره في الاتجاه المحوري. أظهر Stopper #2 و #3 فقط فرقًا واضحًا في معامل Young بين الاتجاه الشعاعي والاتجاه المحوري. نتيجة لذلك ، سيكون معامل التخزين ومعامل الخسارة أيضًا أعلى في الاتجاه الشعاعي منه في الاتجاه المحوري. يظهر سدادة #4 خصائص مماثلة مع سدادات الفلين الطبيعية ، باستثناء معامل الخسارة. هذا مثير للاهتمام لأنه يعني أن الفلين الطبيعي له خاصية لزوجة أكثر من مادة المطاط الصناعي.

خاتمة

النانو اختبار ميكانيكي في وضع Nano Scratch Tester، يمكنك محاكاة العديد من حالات الفشل الواقعية لطلاءات الطلاء والطلاءات الصلبة. من خلال تطبيق أحمال متزايدة بطريقة يتم التحكم فيها ومراقبتها عن كثب، يسمح الجهاز بتحديد مكان فشل الأحمال. ويمكن بعد ذلك استخدام هذا كوسيلة لتحديد القيم الكمية لمقاومة الخدش. من المعروف أن الطلاء الذي تم اختباره، دون التعرض للعوامل الجوية، به صدع أول عند حوالي 22 ملي نيوتن. مع قيم أقرب إلى 5 ملي نيوتن، فمن الواضح أن دورة 7 سنوات قد أدت إلى تدهور الطلاء.

يسمح التعويض عن ملف التعريف الأصلي بالحصول على عمق مصحح أثناء الخدش وأيضًا قياس العمق المتبقي بعد الخدش. هذا يعطي معلومات إضافية عن البلاستيك مقابل السلوك المرن للطلاء تحت الحمل المتزايد. يمكن أن يكون كل من التكسير والمعلومات الخاصة بالتشوه مفيدًا بشكل كبير لتحسين الطبقة الصلبة. تظهر الانحرافات المعيارية الصغيرة جدًا أيضًا إمكانية استنساخ تقنية الأداة التي يمكن أن تساعد الشركات المصنعة على تحسين جودة الطلاء / الطلاء الصلب ودراسة تأثيرات التجوية.

هل لديك تطبيق مماثل؟

اختبار النانو للخدش ومار للطلاء على الركيزة المعدنية

اختبار الخدوش والخدوش النانوية

الطلاء على الركيزة المعدنية

أُعدت بواسطة

سوزانا كابيلو

مقدمة

يعد الطلاء مع أو بدون طبقة صلبة من أكثر أنواع الطلاء شيوعًا. نراه على السيارات والجدران والأجهزة وأي شيء يحتاج إلى بعض الطلاءات الواقية أو ببساطة لأغراض جمالية. غالبًا ما تحتوي الدهانات المخصصة لحماية الركيزة الأساسية على مواد كيميائية تمنع الطلاء من الاشتعال أو تمنعه ببساطة من فقدان لونه أو تشققه. غالبًا ما يأتي الطلاء المستخدم لأغراض جمالية بألوان مختلفة ، ولكن قد لا يكون بالضرورة مخصصًا لحماية ركائزه أو لعمر طويل.

ومع ذلك ، فإن جميع الدهانات تعاني من بعض التجوية بمرور الوقت. غالبًا ما يؤدي التجوية على الطلاء إلى تغيير الخصائص عما أراده صانعوها. يمكن أن تقشر أسرع ، تقشر بالحرارة ، لون فضفاض أو تشقق. إن التغيرات المختلفة في خصائص الطلاء بمرور الوقت هي السبب في أن صانعي الطلاء يقدمون مثل هذا الاختيار الواسع. تم تصميم الدهانات لتلبية المتطلبات المختلفة للعملاء الأفراد.

أهمية اختبار خدش النانو لمراقبة الجودة

مصدر قلق كبير لصانعي الطلاء هو قدرة منتجهم على مقاومة التشقق. بمجرد أن يبدأ الطلاء في التصدع ، فإنه يفشل في حماية الركيزة التي تم تطبيقه عليها ؛ لذلك ، فشل في إرضاء العميل. على سبيل المثال ، إذا حدث أن قام فرع بضربة على جانب السيارة وبعد أن يبدأ الطلاء في الانهيار على الفور ، فإن صانعي الطلاء سيفقدون أعمالهم بسبب رداءة جودة الطلاء. تعد جودة الطلاء مهمة جدًا لأنه إذا تعرض المعدن الموجود أسفل الطلاء ، فقد يبدأ في الصدأ أو التآكل بسبب تعرضه الجديد.

تنطبق أسباب مثل هذه على العديد من الأطياف الأخرى مثل اللوازم المنزلية والمكتبية والإلكترونيات والألعاب وأدوات البحث والمزيد. على الرغم من أن الطلاء قد يكون مقاومًا للتشقق عند تطبيقه لأول مرة على الطلاء المعدني ، إلا أن الخصائص قد تتغير بمرور الوقت عند حدوث بعض العوامل الجوية على العينة. هذا هو السبب في أنه من المهم جدًا اختبار عينات الطلاء في مرحلة التجوية. على الرغم من أن التشقق تحت حمولة عالية من الضغط قد يكون أمرًا لا مفر منه ، يجب على المُصنِّع أن يتنبأ بمدى إضعاف التغييرات بمرور الوقت ومدى عمق الخدش المؤثر من أجل تزويد المستهلكين بأفضل المنتجات الممكنة.

هدف القياس

يجب علينا محاكاة عملية الخدش بطريقة خاضعة للرقابة والمراقبة لملاحظة تأثيرات سلوك العينة. في هذا التطبيق ، يتم استخدام جهاز اختبار NANOVEA PB1000 الميكانيكي في وضع اختبار النانو للخدش لقياس الحمل المطلوب للتسبب في فشل عينة طلاء بسمك 30-50 ميكرومتر يبلغ من العمر 7 سنوات تقريبًا على ركيزة معدنية.

يتم استخدام قلم ذو رأس ماسي بحجم 2 ميكرومتر عند حمل تدريجي يتراوح من 0.015 ملي نيوتن إلى 20.00 ملي نيوتن لخدش الطلاء. قمنا بإجراء مسح ضوئي مسبق وبعده للطلاء بحمل 0.2 ملي نيوتن لتحديد قيمة العمق الحقيقي للخدش. يحلل العمق الحقيقي التشوه البلاستيكي والمرن للعينة أثناء الاختبار ؛ في حين أن الفحص اللاحق يحلل فقط تشوه البلاستيك للخدش. يتم أخذ النقطة التي فشل فيها الطلاء عن طريق التكسير على أنها نقطة الفشل. استخدمنا ASTMD7187 كدليل لتحديد معايير الاختبار الخاصة بنا.

يمكننا أن نستنتج أنه بعد استخدام عينة مجوية ؛ لذلك ، فإن اختبار عينة الطلاء في مرحلتها الأضعف ، قدم لنا نقاط فشل أقل.

تم إجراء خمسة اختبارات على هذه العينة من أجل

تحديد الأحمال الحرجة الفشل الدقيق.

نانوفيا

PB1000

معلمات الاختبار

التالي ASTM D7027

تم مسح سطح معيار الخشونة ضوئيًا باستخدام NANOVEA ST400 المزود بمستشعر عالي السرعة يولد خطًا ساطعًا من 192 نقطة ، كما هو موضح في الشكل 1. هذه النقاط الـ 192 تفحص سطح العينة في نفس الوقت ، مما يؤدي إلى زيادة كبيرة سرعة المسح.

نوع التحميل	تدريجي
التحميل الابتدائي	0.015 ملي نيوتن
التحميل النهائي	٢٠ ملي نيوتن
معدل التحميل	20 ملي نيوتن / دقيقة
طول الخدش	1.6 ملم
سرعة الخدش ، dx / dt	1.601 مم / دقيقة
تحميل ما قبل المسح	0.2 مليون نيوتن
تحميل ما بعد المسح	0.2 مليون نيوتن

نوع إندينتر

مخروطي

الماس 90 درجة مخروط

2 ميكرومتر طرف نصف قطر

نتائج

يقدم هذا القسم البيانات التي تم جمعها حول حالات الفشل أثناء اختبار الخدش. يصف القسم الأول حالات الفشل التي لوحظت في الخدش ويحدد الأحمال الحرجة التي تم الإبلاغ عنها. يحتوي الجزء التالي على جدول ملخص للأحمال الحرجة لجميع العينات ، وتمثيل رسومي. يقدم الجزء الأخير نتائج مفصلة لكل عينة: الأحمال الحرجة لكل خدش ، وميكروغرافيا لكل فشل ، والرسم البياني للاختبار.

ملاحظة الإخفاقات وتعريف الأحمال الحرجة

فشل حرج:

الضرر الأولي

هذه هي النقطة الأولى التي يتم فيها ملاحظة الضرر على طول مسار الخدش.

فشل حرج:

ضرر كامل

في هذه المرحلة ، يكون الضرر أكثر أهمية حيث يتشقق الطلاء ويتشقق على طول مسار الخدش.

النتائج التفصيلية

* تم أخذ قيم الفشل عند نقطة تكسير الركيزة.

أحمال حرجة
يخدش	الضرر الأولي [مليون]	ضرر كامل [ميكرون]
1	14.513	4.932
2	3.895	4.838
3	3.917	4.930

متوسط	3.988	4.900
الأمراض المنقولة جنسيا ديف	0.143	0.054

الشكل 2: صورة مجهرية للخدش الكامل (تكبير 1000 مرة).

الشكل 3: صورة مجهرية للضرر الأولي (تكبير 1000 مرة).

الشكل 4: صورة مجهرية للضرر الكامل (تكبير 1000 مرة).

الشكل 5: قوة الاحتكاك وقوة الاحتكاك.

الشكل 6: الملف الشخصي السطحي.

الشكل 7: العمق الحقيقي والعمق المتبقي.

خاتمة

النانو اختبار ميكانيكي في ال نانو سكراتش تستر يسمح الوضع بمحاكاة العديد من حالات الفشل الواقعية لطلاء الطلاء والمعاطف الصلبة. من خلال تطبيق الأحمال المتزايدة بطريقة خاضعة للرقابة والمراقبة عن كثب ، تسمح الأداة بتحديد حالات فشل التحميل. يمكن بعد ذلك استخدام هذا كطريقة لتحديد القيم الكمية لمقاومة الخدش. من المعروف أن الطلاء الذي تم اختباره ، بدون أي عوامل جوية ، به تشققات أولية عند حوالي 22 مليون نيوتن. مع قيم تقترب من 5 ملي نيوتن ، من الواضح أن ال 7 سنوات قد أدت إلى تدهور الطلاء.

يسمح التعويض عن ملف التعريف الأصلي بالحصول على عمق مصحح أثناء الخدش وقياس العمق المتبقي بعد الخدش. هذا يعطي معلومات إضافية عن البلاستيك مقابل السلوك المرن للطلاء تحت الحمل المتزايد. يمكن أن يكون كل من التكسير والمعلومات الخاصة بالتشوه مفيدًا بشكل كبير لتحسين الطبقة الصلبة. تُظهر الانحرافات المعيارية الصغيرة جدًا إمكانية استنساخ تقنية الأداة التي يمكن أن تساعد الشركات المصنعة على تحسين جودة الطلاء / الطلاء الصلب ودراسة تأثيرات التجوية.

هل لديك تطبيق مماثل؟

درجة حرارة عالية للصلابة للخدش باستخدام مقياس الضغط

درجة حرارة عالية تصلب الخدش

استخدام ثلاثي الأبعاد

أُعدت بواسطة

دوانجي ، دكتوراه

مقدمة

تقيس الصلابة مقاومة المواد للتشوه الدائم أو البلاستيكي. تم تطويره في الأصل من قبل عالم المعادن الألماني فريدريش موس في عام 1820 ، اختبار صلابة الخدش يحدد صلابة المادة للخدوش والتآكل بسبب الاحتكاك من جسم حاد¹. مقياس موس هو مؤشر مقارن وليس مقياسًا خطيًا ، لذلك تم تطوير قياس صلابة الخدش بدقة ونوعية كما هو موضح في معيار ASTM G171-03². يقيس متوسط عرض الخدش الناتج عن قلم ماسي ويحسب رقم صلابة الخدش (HSP).

أهمية قياس صلابة الخدوش في درجات الحرارة العالية

يتم اختيار المواد بناءً على متطلبات الخدمة. بالنسبة للتطبيقات التي تنطوي على تغيرات كبيرة في درجات الحرارة وتدرجات حرارية ، فمن الأهمية بمكان فحص الخواص الميكانيكية للمواد عند درجات حرارة عالية لتكون على دراية كاملة بالحدود الميكانيكية. المواد ، وخاصة البوليمرات ، عادة ما تنعم في درجات حرارة عالية. تحدث الكثير من الأعطال الميكانيكية بسبب التشوه الزاحف والتعب الحراري الذي يحدث فقط في درجات حرارة مرتفعة. لذلك ، هناك حاجة إلى تقنية موثوقة لقياس الصلابة في درجات حرارة عالية لضمان الاختيار المناسب للمواد لتطبيقات درجات الحرارة العالية.

هدف القياس

في هذه الدراسة، يقيس مقياس Tribometer NANOVEA T50 صلابة الخدش لعينة تفلون في درجات حرارة مختلفة من درجة حرارة الغرفة إلى 300 درجة مئوية. القدرة على إجراء قياس صلابة الصفر في درجات الحرارة العالية تجعل NANOVEA ثلاثي الأبعاد نظام متعدد الاستخدامات للتقييمات الاحتكاكية والميكانيكية للمواد لتطبيقات درجات الحرارة العالية.

نانوفيا

T50

شروط الاختبار

تم استخدام مقياس التثبيومتر القياسي NANOVEA T50 للوزن الحر لإجراء اختبارات صلابة الخدش على عينة من التفلون في درجات حرارة تتراوح من درجة حرارة الغرفة (RT) إلى 300 درجة مئوية. تبلغ درجة انصهار التفلون 326.8 درجة مئوية. تم استخدام قلم ماسي مخروطي بزاوية قمة 120 درجة ونصف قطر طرف يبلغ 200 ميكرومتر. تم تثبيت عينة التفلون على مرحلة العينة الدورانية بمسافة 10 ملم إلى مركز المرحلة. تم تسخين العينة بواسطة فرن واختبارها عند درجات حرارة RT و 50 درجة مئوية و 100 درجة مئوية و 150 درجة مئوية و 200 درجة مئوية و 250 درجة مئوية و 300 درجة مئوية.

معلمات الاختبار

من قياس صلابة خدش ارتفاع درجة الحرارة

قوى طبيعية	2 ن
سرعة انزلاق	1 مم / ثانية
مسافة انزلاق	8 مم لكل درجة حرارة
أَجواء	هواء
درجة حرارة	RT ، 50 درجة مئوية ، 100 درجة مئوية ، 150 درجة مئوية ، 200 درجة مئوية ، 250 درجة مئوية ، 300 درجة مئوية.

النتائج والمناقشة

يتم عرض ملفات تعريف مسار الخدش لعينة Teflon عند درجات حرارة مختلفة في الشكل 1 لمقارنة صلابة الخدش عند درجات حرارة مرتفعة مختلفة. تتشكل المواد المتراكمة على حواف مسار الخدش عندما ينتقل القلم بحمل ثابت يبلغ 2 نيوتن ويتدفق في عينة التفلون ، مما يدفع ويشوه المادة في مسار الخدش إلى الجانب.

تم فحص مسارات الخدش تحت المجهر البصري كما هو موضح في الشكل 2. تم تلخيص عرض مسار الخدش المقاس وأرقام صلابة الخدش المحسوبة (HSP) ومقارنتها في الشكل 3. عرض مسار الخدش الذي تم قياسه بواسطة المجهر يتوافق مع ذلك المقاس باستخدام NANOVEA Profiler - تعرض عينة Teflon عرضًا أوسع للخدش في درجات حرارة أعلى. يزيد عرض مسار الخدش من 281 إلى 539 ميكرومتر حيث ترتفع درجة الحرارة من RT إلى 300 درجة مئوية ، مما يؤدي إلى انخفاض HSP من 65 إلى 18 ميجا باسكال.

يمكن قياس صلابة الخدش في درجات الحرارة المرتفعة بدقة عالية وقابلية التكرار باستخدام NANOVEA T50 Tribometer. إنه يوفر حلاً بديلاً من قياسات الصلابة الأخرى ويجعل NANOVEA Tribometer نظامًا أكثر اكتمالاً لإجراء تقييمات شبه ميكانيكية شاملة لدرجات الحرارة العالية.

شكل ١: ملامح مسار الخدش بعد اختبارات صلابة الخدش في درجات حرارة مختلفة.

الشكل 2: مسارات سكراتش تحت المجهر بعد القياسات في درجات حرارة مختلفة.

الشكل 3: تطور عرض مسار الخدش وصلابة الخدش مقابل درجة الحرارة.

خاتمة

في هذه الدراسة ، نعرض كيف يقيس NANOVEA Tribometer صلابة الخدش في درجات حرارة مرتفعة بما يتوافق مع ASTM G171-03. يوفر اختبار صلابة الخدش عند حمل ثابت حلاً بديلاً بسيطًا لمقارنة صلابة المواد باستخدام مقياس الاحتكاك. إن القدرة على إجراء قياسات صلابة الخدش في درجات حرارة مرتفعة تجعل NANOVEA Tribometer أداة مثالية لتقييم الخواص الميكانيكية للمركبات ذات درجة الحرارة العالية للمواد.

يوفر NANOVEA Tribometer أيضًا اختبار تآكل واحتكاك دقيق وقابل للتكرار باستخدام أوضاع دوارة وخطية متوافقة مع ISO و ASTM ، مع تآكل اختياري بدرجة حرارة عالية ، ووحدات تزييت وتآكل تريبو متوفرة في نظام واحد متكامل مسبقًا. يتوفر ملف التعريف الاختياري ثلاثي الأبعاد غير المتصل للتصوير ثلاثي الأبعاد عالي الدقة لمسارات التآكل بالإضافة إلى قياسات السطح الأخرى مثل الخشونة.

1 Wredenberg ، فريدريك ؛ بل لارسون (2009). "اختبار خدش المعادن والبوليمرات: التجارب والأعداد". ارتداء 266 (1-2): 76
2 ASTM G171-03 (2009) ، "طريقة الاختبار القياسية لصلابة خدش المواد باستخدام قلم ماسي"

هل لديك تطبيق مماثل؟

تقييم الخدوش والتآكل في الطلاءات الصناعية

طلاء صناعي

خدش وارتدِ التقييم باستخدام جهاز ثلاثي الأبعاد

أُعدت بواسطة

دوانجي لي ، دكتوراه وأندريا هيرمان

مقدمة

طلاء اليوريثان الأكريلي هو نوع من الطلاء الواقي سريع الجفاف المستخدم على نطاق واسع في مجموعة متنوعة من التطبيقات الصناعية ، مثل طلاء الأرضيات وطلاء السيارات وغيرها. عند استخدامه كطلاء للأرضيات ، يمكن أن يخدم المناطق ذات الأقدام الكثيفة وحركة المرور ذات العجلات المطاطية ، مثل الممرات والأرصفة ومواقف السيارات.

أهمية اختبار الخدش والارتداء لمراقبة الجودة

تقليديا ، تم إجراء اختبارات توبر للتآكل لتقييم مقاومة التآكل لطلاء أرضيات أكريليك يوريتان وفقًا لمعيار ASTM D4060. ومع ذلك ، كما هو مذكور في المعيار ، "بالنسبة لبعض المواد ، قد تخضع اختبارات الكشط التي تستخدم أداة تابر للتغير بسبب التغيرات في خصائص الكشط للعجلة أثناء الاختبار." 1 قد يؤدي هذا إلى ضعف استنساخ نتائج الاختبار وإنشاء صعوبة في مقارنة القيم المبلغ عنها من مختبرات مختلفة. علاوة على ذلك ، في اختبارات التآكل في تابر ، يتم حساب مقاومة التآكل على أنها خسارة في الوزن في عدد محدد من دورات الكشط. ومع ذلك ، فإن دهانات أرضيات أكريليك يوريتان لها سماكة موصى بها للفيلم الجاف تتراوح من 37.5-50 ميكرومتر.

يمكن لعملية التآكل الشديدة التي تقوم بها شركة Taber Abraser أن تتآكل بسرعة من خلال طلاء اليوريثان الأكريليكي وتؤدي إلى فقد كتلة الركيزة مما يؤدي إلى أخطاء كبيرة في حساب فقدان وزن الطلاء. يساهم أيضًا غرس الجزيئات الكاشطة في الطلاء أثناء اختبار التآكل في حدوث أخطاء. لذلك ، فإن القياس الكمي والموثوق الذي يتم التحكم فيه جيدًا أمر بالغ الأهمية لضمان تقييم التآكل القابل للتكرار للطلاء. بالإضافة إلى ذلك ، فإن اختبار الصفر يسمح للمستخدمين باكتشاف حالات فشل الالتصاق / الالتصاق السابقة لأوانها في تطبيقات الحياة الواقعية.

هدف القياس

في هذه الدراسة، نعرض أن NANOVEA ترايبومتر و أجهزة فحوصات الميكانيكية مثالية لتقييم ومراقبة جودة الطلاءات الصناعية.

تتم محاكاة عملية التآكل لدهانات الأكريليك المصنوعة من مادة الأكريليك للأرضيات مع طبقات طلاء نهائية مختلفة بطريقة خاضعة للرقابة والمراقبة باستخدام NANOVEA Tribometer. يستخدم اختبار الخدش الدقيق لقياس الحمل المطلوب لإحداث فشل في التماسك أو المادة اللاصقة للطلاء.

نانوفيا T100

مقياس ضغط الهواء المضغوط

نانوفيا PB1000

الفاحص الميكانيكي ذو المنصة الكبيرة

إجراء الاختبار

تقوم هذه الدراسة بتقييم أربعة طلاءات أرضيات أكريليك مائي متوفرة تجارياً والتي لها نفس الطلاء التمهيدي (طبقة الأساس) وطبقات نهائية مختلفة من نفس الصيغة مع تناوب صغير في الخلطات المضافة بغرض تعزيز المتانة. يتم تحديد هذه الطلاءات الأربعة على أنها عينات A و B و C و D.

إختبار الإرتداء

تم تطبيق مقياس Tribometer NANOVEA لتقييم السلوك الاحتكاكي، على سبيل المثال، معامل الاحتكاك، COF، ومقاومة التآكل. تم تطبيق رأس كروي SS440 (قطر 6 مم، درجة 100) على الدهانات التي تم اختبارها. تم تسجيل COF في الموقع. تم تقييم معدل التآكل، K، باستخدام الصيغة K=V/(F×s)=A/(F×n)، حيث V هو الحجم البالي، F هو الحمل الطبيعي، s هي مسافة الانزلاق، A هي مساحة المقطع العرضي لمسار التآكل، وn هو عدد الثورات. تم تقييم خشونة السطح ومسارات التآكل بواسطة NANOVEA الملف الشخصي البصري، وتم فحص شكل مسار التآكل باستخدام المجهر الضوئي.

ارتداء معلمات الاختبار

قوى طبيعية

20 شمال

سرعة

15 م / دقيقة

مدة الاختبار

100 و 150 و 300 و 800 دورة

اختبار الخدش

تم استخدام جهاز اختبار NANOVEA الميكانيكي المجهز بقلم الماس Rockwell C (نصف قطره 200 ميكرون) لإجراء اختبارات خدش الحمل التدريجي على عينات الطلاء باستخدام وضع اختبار الخدش الصغير. تم استخدام حمولتين نهائيتين: 5 نيوتن حمل نهائي لفحص تفتيت الدهان من التمهيدي ، و 35 نيوتن لفحص إزالة الدهان التمهيدي من الركائز المعدنية. تم تكرار ثلاثة اختبارات في نفس ظروف الاختبار على كل عينة لضمان استنساخ النتائج.

تم إنشاء صور بانورامية لأطوال الخدش بالكامل تلقائيًا وتم ربط مواقع فشلها الحرجة بالأحمال المطبقة بواسطة برنامج النظام. تسهل ميزة البرنامج هذه المستخدمين لإجراء تحليل على مسارات الخدش في أي وقت ، بدلاً من الاضطرار إلى تحديد الحمل الحرج تحت المجهر فورًا بعد اختبارات الخدش.

معلمات اختبار الخدش

نوع التحميل	تدريجي
التحميل الابتدائي	٠.٠١ ملي نيوتن
التحميل النهائي	5 N / 35 N
معدل التحميل	10/70 نيوتن / دقيقة
طول الخدش	٣ مم
سرعة الخدش ، (dx / dt)	٦.٠ مم / دقيقة
الهندسة للكرة المستخدمة كخارق	120º مخروط
مادة الكرة المستخدمة كخارق	الماس
نصف قطر الخارق	٢٠٠ ميكرومتر

ارتد نتائج الاختبار

تم إجراء أربعة اختبارات تآكل على القرص عند عدد مختلف من الثورات (100 و 150 و 300 و 800 دورة) على كل عينة من أجل مراقبة تطور التآكل. تم قياس شكل سطح العينات باستخدام NANOVEA 3D Non-Contact Profiler لتقدير خشونة السطح قبل إجراء اختبار التآكل. كان لجميع العينات خشونة سطح قابلة للمقارنة بحوالي 1 ميكرومتر كما هو معروض في الشكل 1. تم تسجيل COF في الموقع أثناء اختبارات التآكل كما هو موضح في الشكل 2. يوضح الشكل 4 تطور مسارات التآكل بعد 100 و 150 و 300 و 800 دورة ، والشكل 3 يلخص متوسط معدل التآكل لعينات مختلفة في مراحل مختلفة من عملية التآكل.

مقارنةً بقيمة COF التي تبلغ ~ 0.07 للعينات الثلاث الأخرى ، تُظهر العينة A COF أعلى بكثير من ~ 0.15 في البداية ، والتي تزداد تدريجياً وتستقر عند ~ 0.3 بعد 300 دورة تآكل. يسرع مثل هذا COF المرتفع من عملية التآكل ويخلق كمية كبيرة من حطام الطلاء كما هو موضح في الشكل 4 - بدأت إزالة الطبقة العلوية للعينة A في أول 100 دورة. كما هو مبين في الشكل 3 ، يُظهر النموذج أ أعلى معدل تآكل ~ 5 ميكرومتر / نيوتن في أول 300 دورة ، والذي ينخفض قليلاً إلى ~ 3.5 ميكرومتر / نيوتن بسبب مقاومة التآكل الأفضل للركيزة المعدنية. يبدأ الطلاء العلوي للعينة C بالفشل بعد 150 دورة تآكل كما هو موضح في الشكل 4 ، والذي يشار إليه أيضًا بزيادة COF في الشكل 2.

في المقارنة ، يُظهر النموذج B والعينة D خصائص ترايبولوجية مُحسَّنة. تحافظ العينة B على COF منخفض طوال الاختبار بأكمله - تزداد COF قليلاً من ~ 0.05 إلى ~ 0.1. يعمل تأثير التشحيم هذا على تعزيز مقاومة التآكل بشكل كبير - لا يزال المعطف العلوي يوفر حماية فائقة للطلاء التمهيدي الموجود أسفله بعد 800 دورة تآكل. يتم قياس أدنى معدل تآكل يبلغ 0.77 μm2 / N فقط للعينة B عند 800 دورة. يبدأ الطلاء العلوي للعينة D في التفكيك بعد 375 دورة ، كما يتضح من الزيادة المفاجئة في COF في الشكل 2. متوسط معدل التآكل للعينة D هو 1.1 ميكرومتر 2 / N عند 800 دورة.

مقارنةً بقياسات تابر التقليدية للتآكل ، يوفر NANOVEA Tribometer تقييمات تآكل يمكن التحكم فيها جيدًا وقابلة للقياس ويمكن الاعتماد عليها تضمن التقييمات القابلة للتكرار ومراقبة الجودة لطلاء الأرضيات / السيارات التجارية. علاوة على ذلك ، تسمح قدرة قياسات COF في الموقع للمستخدمين بربط المراحل المختلفة لعملية التآكل بتطور COF ، وهو أمر بالغ الأهمية في تحسين الفهم الأساسي لآلية التآكل والخصائص الترايبولوجية لطلاءات الطلاء المختلفة.

شكل ١: الأشكال ثلاثية الأبعاد وخشونة عينات الطلاء.

الشكل 2: COF أثناء اختبارات التثبيت على القرص.

الشكل 3: تطور معدل تآكل الدهانات المختلفة.

الشكل 4: تطور مسارات التآكل أثناء اختبارات التثبيت على القرص.

نتائج اختبار الخدش

يوضح الشكل 5 مخطط القوة العادية وقوة الاحتكاك والعمق الحقيقي كدالة لطول الخدش للعينة أ كمثال. يمكن تركيب وحدة انبعاث صوتية اختيارية لتوفير مزيد من المعلومات. مع زيادة الحمل الطبيعي خطيًا ، يغرق طرف المسافة البادئة تدريجياً في العينة المختبرة كما ينعكس من خلال الزيادة التدريجية للعمق الحقيقي. يمكن استخدام التباين في منحدرات قوة الاحتكاك ومنحنيات العمق الحقيقية كأحد الآثار المترتبة على بدء حدوث فشل الطلاء.

الشكل 5: القوة العادية وقوة الاحتكاك والعمق الحقيقي كدالة لطول الخدش لاختبار خدش العينة (أ) بأقصى حمل قدره 5 نيوتن.

يوضح الشكل 6 والشكل 7 الخدوش الكاملة لجميع عينات الطلاء الأربعة المختبرة بحمل أقصى يبلغ 5 نيوتن و 35 نيوتن على التوالي. تتطلب العينة D حمولة أعلى من 50 نيوتن لتفكيك التمهيدي. تقوم اختبارات الخدش عند الحمل النهائي 5 نيوتن (الشكل 6) بتقييم فشل الالتصاق / اللاصق للطلاء العلوي ، بينما تقيّم الاختبارات عند 35 نيوتن (الشكل 7) تفتيت الدهان التمهيدي. تشير الأسهم الموجودة في الصور المجهرية إلى النقطة التي يبدأ عندها إزالة الطلاء العلوي أو التمهيدي تمامًا من التمهيدي أو الركيزة. يتم استخدام الحمل في هذه المرحلة ، والذي يسمى الحمل الحرج ، Lc ، لمقارنة الخواص المتماسكة أو اللاصقة للطلاء كما تم تلخيصها في الجدول 1.

من الواضح أن عينة الطلاء D لديها أفضل التصاق بيني - حيث تظهر أعلى قيم Lc تبلغ 4.04 N عند إزالة طبقات الطلاء و 36.61 N عند إزالة طبقة الطلاء الأولية. يُظهر النموذج B ثاني أفضل مقاومة للخدش. من تحليل الخدش ، نظهر أن تحسين صيغة الطلاء أمر بالغ الأهمية للسلوكيات الميكانيكية ، أو بشكل أكثر تحديدًا ، خاصية مقاومة الخدوش والالتصاق لدهانات الأرضيات المصنوعة من الأكريليك.

الجدول 1: ملخص للأحمال الحرجة.

الشكل 6: صورة مجهرية للخدش الكامل مع حمولة قصوى تبلغ 5 نيوتن.

الشكل 7: صورة مجهرية للخدش الكامل مع حمولة قصوى تبلغ 35 نيوتن.

خاتمة

بالمقارنة مع قياسات التآكل التقليدية في Taber ، فإن NANOVEA MECHANICAL Tester و Tribometer هما أداتان متفوقتان للتقييم ومراقبة الجودة للأرضيات التجارية وطلاء السيارات. يمكن لجهاز اختبار NANOVEA الميكانيكي في وضع الخدش اكتشاف مشاكل الالتصاق / التماسك في نظام الطلاء. يوفر NANOVEA Tribometer تحكمًا جيدًا في التحليل الكمي والقابل للتكرار حول مقاومة التآكل ومعامل الاحتكاك في الدهانات.

استنادًا إلى التحليلات الترايبولوجية والميكانيكية الشاملة لطلاءات الأرضيات المصنوعة من الأكريليك المائي التي تم اختبارها في هذه الدراسة ، نظهر أن العينة B تمتلك أقل نسبة COF ومعدل تآكل وثاني أفضل مقاومة للخدش ، بينما يُظهر النموذج D أفضل مقاومة للخدش وثاني أفضل ارتداء المقاومة. يتيح لنا هذا التقييم تقييم واختيار أفضل مرشح يستهدف الاحتياجات في بيئات التطبيق المختلفة.

تشتمل كل من وحدات Nano و Micro في NANOVEA Tester الميكانيكي على المسافة البادئة المتوافقة مع ISO و ASTM وأوضاع اختبار الخدش والتآكل ، مما يوفر أوسع نطاق من الاختبارات المتاحة لتقييم الطلاء على وحدة واحدة. يوفر NANOVEA Tribometer اختبار تآكل واحتكاك دقيق وقابل للتكرار باستخدام أوضاع دوارة وخطية متوافقة مع ISO و ASTM ، مع تآكل اختياري بدرجة حرارة عالية ، ووحدات تزييت وتآكل تريبو متوفرة في نظام واحد متكامل مسبقًا. تعد مجموعة NANOVEA التي لا مثيل لها حلاً مثاليًا لتحديد النطاق الكامل للخصائص الميكانيكية / الترايبولوجية للطلاءات الرقيقة أو السميكة أو الناعمة أو القاسية والأغشية والركائز ، بما في ذلك الصلابة ، ومعامل يونغ ، ومتانة الكسر ، والالتصاق ، ومقاومة التآكل وغيرها الكثير. تتوفر ملفات التعريف الضوئية NANOVEA الاختيارية غير الملامسة للتصوير ثلاثي الأبعاد عالي الدقة للخدوش ومسارات التآكل بالإضافة إلى قياسات السطح الأخرى مثل الخشونة.

الآن ، لنتحدث عن طلبك

قياس صلابة الخدوش باستخدام الفاحص الميكانيكي

قياس صلابة الخدوش

باستخدام جهاز اختبار ميكانيكي

أُعدت بواسطة

دوانجي لي ، دكتوراه

مقدمة

بشكل عام ، تقيس اختبارات الصلابة مقاومة المواد للتشوه الدائم أو البلاستيكي. هناك ثلاثة أنواع من قياسات الصلابة: صلابة الخدش ، صلابة المسافة البادئة والصلابة المرتدة. يقيس اختبار صلابة الخدش مقاومة المادة للخدش والتآكل بسبب الاحتكاك من جسم حاد 1. تم تطويره في الأصل من قبل عالم المعادن الألماني فريدريش موس في عام 1820 وما زال يستخدم على نطاق واسع لتصنيف الخصائص الفيزيائية للمعادن 2. طريقة الاختبار هذه قابلة للتطبيق أيضًا على المعادن والسيراميك والبوليمرات والأسطح المطلية.

أثناء قياس صلابة الخدش ، يقوم قلم ماسي لهندسة محددة بخدش سطح مادة ما على طول مسار خطي تحت قوة عادية ثابتة وبسرعة ثابتة. يتم قياس متوسط عرض الخدش واستخدامه لحساب رقم صلابة الخدش (HSP). توفر هذه التقنية حلاً بسيطًا لقياس صلابة المواد المختلفة.

هدف القياس

في هذه الدراسة ، يتم استخدام جهاز الاختبار الميكانيكي NANOVEA PB1000 لقياس صلابة الخدش للمعادن المختلفة وفقًا لـ ASTM G171-03.

وفي الوقت نفسه، تعرض هذه الدراسة قدرة NANOVEA اختبار ميكانيكي في إجراء قياس صلابة الخدش بدقة عالية وإمكانية تكرار نتائج.

نانوفيا

PB1000

شروط الاختبار

أجرى الفاحص الميكانيكي NANOVEA PB1000 اختبارات صلابة الخدش على ثلاثة معادن مصقولة (Cu110 و Al6061 و SS304). تم استخدام قلم ماسي مخروطي بزاوية قمة 120 درجة ونصف قطر طرف يبلغ 200 ميكرومتر. تم خدش كل عينة ثلاث مرات بنفس معايير الاختبار لضمان استنساخ النتائج. يتم تلخيص معلمات الاختبار أدناه. تم إجراء مسح الملف الشخصي بحمل طبيعي منخفض يبلغ 10 مللي نيوتن قبل وبعد اختبار الصفر لقياس التغير في المظهر الجانبي للخدش.

معلمات الاختبار

قوى طبيعية

10 شمال

درجة حرارة

24 درجة مئوية (RT)

سرعة انزلاق

20 مم / دقيقة

مسافة انزلاق

10 ملم

أَجواء

هواء

النتائج والمناقشة

تظهر صور مسارات الخدش لثلاثة معادن (Cu110 و Al6061 و SS304) بعد الاختبارات في الشكل 1 لمقارنة صلابة الخدش للمواد المختلفة. تم استخدام وظيفة رسم الخرائط في برنامج NANOVEA الميكانيكي لإنشاء ثلاث خدوش متوازية تم اختبارها تحت نفس الحالة في بروتوكول آلي. تم تلخيص ومقارنة عرض مسار الخدش المُقاس ورقم صلابة الخدش المحسوب (HSP) في الجدول 1. تُظهر المعادن عروض مسار تآكل مختلفة تبلغ 174 و 220 و 89 ميكرومتر بالنسبة لـ Al6061 و Cu110 و SS304 ، على التوالي ، مما ينتج عنه معدل HSP محسوب قدره 0.84 و 0.52 و 3.2 جيجا.

بالإضافة إلى صلابة الخدش المحسوبة من عرض مسار الخدش ، تم تسجيل تطور معامل الاحتكاك (COF) والعمق الحقيقي والانبعاثات الصوتية في الموقع أثناء اختبار صلابة الخدش. هنا ، العمق الحقيقي هو اختلاف العمق بين عمق اختراق القلم أثناء اختبار الخدش وملف السطح المقاس في المسح المسبق. يتم عرض COF والعمق الحقيقي والانبعاث الصوتي لـ Cu110 في الشكل 2 كمثال. توفر هذه المعلومات نظرة ثاقبة على الأعطال الميكانيكية التي تحدث أثناء الخدش ، مما يتيح للمستخدمين اكتشاف العيوب الميكانيكية ومواصلة التحقيق في سلوك الخدش للمواد المختبرة.

يمكن إنهاء اختبارات صلابة الخدش في غضون دقيقتين بدقة عالية وقابلية التكرار. مقارنة بإجراءات المسافة البادئة التقليدية ، يوفر اختبار صلابة الخدش في هذه الدراسة حلاً بديلاً لقياسات الصلابة ، وهو مفيد لمراقبة الجودة وتطوير مواد جديدة.

Al6061

النحاس 110

SS304

شكل ١: صورة مجهرية لمسار الخدش بعد الاختبار (تكبير 100 مرة).

	*عرض مسار الخدش (ميكرومتر)*	*HS_ص (المعدل التراكمي)*
Al6061	174 ± 11	0.84
النحاس 110	220 ± 1	0.52
SS304	89 ± 5	3.20

الجدول 1: ملخص لعرض مسار الخدش ورقم صلابة الخدش.

الشكل 2: تطور معامل الاحتكاك والعمق الحقيقي والانبعاثات الصوتية أثناء اختبار صلابة الخدش على Cu110.

خاتمة

في هذه الدراسة ، عرضنا قدرة جهاز NANOVEA الميكانيكي Tester في إجراء اختبارات صلابة الخدش وفقًا للمواصفة ASTM G171-03. بالإضافة إلى التصاق الطلاء ومقاومة الخدش ، يوفر اختبار الخدش عند الحمل المستمر حلاً بديلاً بسيطًا لمقارنة صلابة المواد. على عكس أجهزة اختبار صلابة الخدش التقليدية ، توفر أجهزة اختبار NANOVEA الميكانيكية وحدات اختيارية لمراقبة تطور معامل الاحتكاك والانبعاثات الصوتية والعمق الحقيقي في الموقع.

تشتمل وحدات Nano و Micro لجهاز اختبار NANOVEA الميكانيكي على وضع مسافة بادئة متوافقة مع ISO و ASTM واختبار الخدش والتآكل ، مما يوفر أوسع مجموعة من الاختبارات وأكثرها سهولة في الاستخدام المتاحة في نظام واحد. تعد مجموعة NANOVEA التي لا مثيل لها حلاً مثاليًا لتحديد النطاق الكامل من الخواص الميكانيكية للطلاء الرقيق أو السميك ، واللين أو الصلب ، والأغشية والركائز ، بما في ذلك الصلابة ، ومعامل يونغ ، ومتانة الكسر ، والالتصاق ، ومقاومة التآكل وغيرها الكثير.

هل لديك تطبيق مماثل؟

اختبار خدش طلاء نيتريد التيتانيوم

فحص رقابة الجودة

أُعدت بواسطة

دوانجي لي ، دكتوراه

مقدمة

إن الجمع بين الصلابة العالية ومقاومة التآكل الممتازة ومقاومة التآكل والخمول يجعل من نيتريد التيتانيوم (TiN) طلاءًا وقائيًا مثاليًا للمكونات المعدنية في مختلف الصناعات. على سبيل المثال ، يمكن أن يؤدي احتباس الحواف ومقاومة التآكل لطلاء TiN إلى زيادة كفاءة العمل بشكل كبير وإطالة عمر خدمة أدوات الماكينة مثل شفرات الحلاقة وقواطع المعادن وقوالب الحقن والمناشير. تجعل صلابته العالية وخموله وعدم سميته TiN مرشحًا رائعًا للتطبيقات في الأجهزة الطبية بما في ذلك الغرسات والأدوات الجراحية.

أهمية اختبار خدش طلاء TiN

يلعب الإجهاد المتبقي في طلاءات PVD / CVD الواقية دورًا مهمًا في الأداء والسلامة الميكانيكية للمكون المطلي. ينشأ الإجهاد المتبقي من عدة مصادر رئيسية ، بما في ذلك إجهاد النمو والتدرجات الحرارية والقيود الهندسية وضغط الخدمة. يؤدي عدم تطابق التمدد الحراري بين الطلاء والركيزة المتكونة أثناء ترسيب الطلاء عند درجات حرارة مرتفعة إلى ارتفاع الضغط الحراري المتبقي. علاوة على ذلك ، غالبًا ما يتم استخدام أدوات TiN المطلية تحت ضغوط شديدة التركيز ، مثل لقم الثقب والمحامل. من الأهمية بمكان تطوير عملية موثوقة لمراقبة الجودة لفحص قوة التماسك والالتصاق للطلاءات الوظيفية الواقية كميًا.

[1] ف. تيكسيرا ، فراغ 64 (2002) 393-399.

هدف القياس

في هذه الدراسة، نعرض أن NANOVEA أجهزة فحوصات الميكانيكية في وضع Scratch تعتبر مثالية لتقييم قوة التماسك/الالتصاق لطبقات TiN الواقية بطريقة كمية ومنضبطة.

نانوفيا

PB1000

شروط الاختبار

تم استخدام جهاز الاختبار الميكانيكي NANOVEA PB1000 لأداء الطلاء اختبارات الخدش على ثلاث طبقات من TiN باستخدام نفس معاملات الاختبار على النحو الملخص أدناه:

وضع التحميل: خطي التقدمي

التحميل الابتدائي

0.02 ن

التحميل النهائي

10 شمال

معدل التحميل

20 نيوتن / دقيقة

طول الخدش

5 ملم

النوع الداخلي

كروي مخروطي

الماس ، نصف قطرها 20 ميكرومتر

النتائج والمناقشة

يوضح الشكل 1 التطور المسجل لعمق الاختراق ومعامل الاحتكاك (COF) والانبعاث الصوتي أثناء الاختبار. يتم عرض مسارات الخدش الصغيرة الكاملة على عينات TiN في الشكل 2. يتم عرض سلوكيات الفشل عند الأحمال الحرجة المختلفة في الشكل 3 ، حيث يتم تعريف الحمل الحرج Lc1 على أنه الحمل الذي تحدث عنده أول علامة للكسر المتماسك في مسار الخدش ، Lc2 هو الحمل الذي تحدث بعده حالات فشل التشظي المتكررة ، و Lc3 هو الحمل الذي يتم عنده إزالة الطلاء بالكامل من الركيزة. تم تلخيص قيم الحمل الحرج (Lc) لطلاءات TiN في الشكل 4.

يوفر تطور عمق الاختراق و COF والانبعاثات الصوتية نظرة ثاقبة لآلية فشل الطلاء في مراحل مختلفة ، والتي تتمثل في الأحمال الحرجة في هذه الدراسة. يمكن ملاحظة أن العينة (أ) والعينة (ب) تظهران سلوكًا مشابهًا أثناء اختبار الخدش. يخترق القلم تدريجيًا في العينة إلى عمق ~ 0.06 مم ويزداد COF تدريجياً إلى 0.3 ~ مع زيادة الحمل العادي خطيًا في بداية اختبار خدش الطلاء. عندما يتم الوصول إلى Lc1 من ~ 3.3 N ، تحدث أول علامة على فشل التقطيع. ينعكس هذا أيضًا في أول ارتفاعات كبيرة في مخطط عمق الاختراق و COF والانبعاثات الصوتية. مع استمرار زيادة الحمل إلى Lc2 بمقدار 3.8 نيوتن تقريبًا ، يحدث مزيد من التقلب في عمق الاختراق و COF والانبعاثات الصوتية. يمكننا ملاحظة فشل التشظي المستمر على جانبي مسار الخدش. في Lc3 ، ينفصل الطلاء تمامًا عن الركيزة المعدنية تحت الضغط العالي الذي يطبقه القلم ، تاركًا الركيزة مكشوفة وغير محمية.

بالمقارنة ، يُظهر النموذج C أحمالًا حرجة أقل في مراحل مختلفة من اختبارات خدش الطلاء ، وهو ما ينعكس أيضًا في تطور عمق الاختراق ، ومعامل الاحتكاك (COF) والانبعاثات الصوتية أثناء اختبار خدش الطلاء. تمتلك العينة C طبقة بينية التصاق ذات صلابة أقل وإجهاد أعلى عند السطح البيني بين طلاء TiN العلوي والركيزة المعدنية مقارنة بالعينة A والعينة B.

توضح هذه الدراسة أهمية دعم الركيزة المناسب وبنية الطلاء لجودة نظام الطلاء. يمكن للطبقة البينية الأقوى أن تقاوم التشوه بشكل أفضل تحت الحمل الخارجي العالي وضغط التركيز ، وبالتالي تعزز قوة التماسك والالتصاق لنظام الطلاء / الركيزة.

شكل ١: تطور عمق الاختراق ، COF والانبعاث الصوتي لعينات TiN.

الشكل 2: مسار خدش كامل لطلاءات TiN بعد الاختبارات.

الشكل 3: فشل طلاء TiN تحت الأحمال الحرجة المختلفة ، Lc.

الشكل 4: ملخص لقيم الحمل الحرج (Lc) لطلاءات TiN.

خاتمة

في هذه الدراسة ، أظهرنا أن جهاز اختبار NANOVEA PB1000 الميكانيكي يقوم باختبارات خدش موثوقة ودقيقة على عينات مغلفة بـ TiN بطريقة محكمة ومراقبتها عن كثب. تسمح قياسات الخدش للمستخدمين بالتعرف بسرعة على الحمل الحرج الذي يحدث عنده فشل نموذجي للطلاء اللاصق والتماسك. أدواتنا هي أدوات مراقبة جودة فائقة يمكنها فحص ومقارنة الجودة الجوهرية للطلاء والتكامل البيني لنظام الطلاء / الركيزة من الناحية الكمية. يمكن للطلاء ذي الطبقة البينية المناسبة أن يقاوم التشوه الكبير تحت الحمل الخارجي العالي وضغط التركيز ، ويعزز قوة التماسك والالتصاق لنظام الطلاء / الركيزة.

تشتمل وحدات Nano و Micro لجهاز اختبار NANOVEA الميكانيكي على وضع مسافة بادئة متوافقة مع ISO و ASTM واختبار الخدش والتآكل ، مما يوفر أوسع نطاق من الاختبارات المتاحة في نظام واحد وأكثرها سهولة في الاستخدام. تعد مجموعة NANOVEA التي لا مثيل لها حلاً مثاليًا لتحديد النطاق الكامل من الخواص الميكانيكية للطلاء الرقيق أو السميك ، واللين أو الصلب ، والأفلام والركائز ، بما في ذلك الصلابة ، ومعامل يونغ ، ومتانة الكسر ، والالتصاق ، ومقاومة التآكل وغيرها الكثير.

هل لديك تطبيق مماثل؟

الصفحة 1 من 612 3 4 5 6

منتجات

بروفایلومتر

PS50 - مدمج متقدم - مدمج متقدم

JR25 - مدمج محمول مدمج

JR100 - محمول محمول عالي السرعة

ST400 - قياسي معياري معياري ST400

ST500 - مساحة كبيرة معيارية ST500 - مساحة كبيرة معيارية

AFM Pro - المدى الموسع

مراقبة الجودة داخل الخط - الخشونة والملمس واللمسات النهائية

أجهزة اختبار النانو واختبار الخدوش

CB500 - مدمج متقدم - مدمج متقدم

PB1000 - المنصة الكبيرة المتقدمة PB1000

أنظمة الفراغ

ترايبومتر

T50 - منضدة الوزن الحر T50

T200 - مدمج هوائي مدمج

T2000 - هوائي عالي التحميل

T2000 MAX - High Torque Friction Tester

CR-8R - سُمك طلاء التكسير الكروي CR-8R - سماكة طلاء التكسير الكروي

أنظمة الفراغ

خدمات المختبر

تحليل بروفيلوميتري عدم الاتصال

المسافة البادئة واختبار الخدش

اختبار الاحتكاك والتآكل

طوبولوجيا السطح والتحليل الكيميائي

حلول الاختبار

قياس الملامح

الخشونة والانتهاء

الهندسة والشكل

التسطيح والانفتال

الحجم والمساحة

ارتفاع الخطوة والسماكة

الملمس والحبوب

الاختبار الميكانيكي

المسافة البادئة | صلابة ومرونة

المسافة البادئة | الإجهاد مقابل الإجهاد

المسافة البادئة | الزحف والاسترخاء

المسافة البادئة | الخسارة والتخزين

المسافة البادئة | كسر صلابة

المسافة البادئة | قوة الغلة والتعب

درجة حرارة عالية

رطوبة

مكنسة

خدش | فشل لاصق

خدش | فشل متماسك

خدش | صلابة الخدش

خدش | ارتداء متعدد التمريرات

الاحتكاك | معامل الاحتكاك

درجة حرارة منخفضة

سائل

اختبار ترايبولوجي

خطي

التناوب

بلوك على الحلبة

رنين على الطوق

اختبار الخدش

اختبار احتكاك المكابح

درجة حرارة عالية

درجة حرارة منخفضة

تآكل

سائل

الرطوبة والغازات الخاملة

مكنسة

التطبيقات

حسب الصناعة

التكنولوجيا الحيوية والحيوية

مواد بناء

منتجات المستهلك

أجهزة طبية

تصنيع وتصنيع المعادن

النفط والمناجم

بصريات

طلاء الدهان

الأدوية

أشباه الموصلات والالكترونيات

المنسوجات والجلود والورق

الأدوات والآلات

النقل البري

الفضاء والطيران

الجيش والدفاع