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Category: High Temperature Mechanical Testing

 

High temperature hardness testing for materials exposed to extreme thermal conditions in aerospace and defense applications

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

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Material performance testing under extreme temperature conditions for aerospace and defense applications

Research & Experimental Testing

Frank Liu

Visual Design & Editorial

Andrew Shore

Introducción

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.

Objetivo de medición

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.

NANOVEA T2000 Alta carga

Tribómetro neumático

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NANOVEA T2000 high load pneumatic tribometer for friction and wear testing

Procedimiento de ensayo

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 inside the NANOVEA T2000 high temperature chamber for Brinell hardness testing

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

Test Parameters

Test Parameter High Temperature Brinell Hardness Setup
Temperatura 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 mm
Steel samples used for high temperature Brinell hardness testing from 25°C to 925°C

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

Resultados y debate

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

Brinell hardness equation using applied force, ball diameter, and measured indentation diameter

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 versus time curve showing the 1000 N indentation load used during high temperature Brinell hardness testing of steel

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.

Brinell indentation on steel measured at 800°C with diameters of 1.807 mm and 1.830 mm
Distance Unit A B
HDist mm 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

High Temperature Brinell Hardness Results
Temperature (°C) Diameter 1 (mm) Diameter 2 (mm) Average Diameter (mm) HBW (10/100)
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
Graph showing Brinell hardness of steel decreasing from 96.12 HBW at 25°C to 15.40 HBW at 925°C

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.

Conclusión

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.

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Dureza al rayado a alta temperatura utilizando un tribómetro

DUREZA AL RAYADO A ALTA TEMPERATURA

UTILIZANDO UN TRIBÓMETRO

Preparado por

DUANJIE, Doctor

INTRODUCCIÓN

La dureza mide la resistencia de los materiales a la deformación permanente o plástica. Desarrollado originalmente por el mineralogista alemán Friedrich Mohs en 1820, el ensayo de dureza al rayado determina la dureza de un material a los arañazos y la abrasión debidos a la fricción de un objeto afilado.1. La escala de Mohs es un índice comparativo más que una escala lineal, por lo que se desarrolló una medición de la dureza al rayado más precisa y cualitativa, tal como se describe en la norma ASTM G171-032. Mide la anchura media del arañazo creado por un estilete de diamante y calcula el número de dureza del arañazo (HSP).

IMPORTANCIA DE LA MEDICIÓN DE LA DUREZA AL RAYADO A ALTAS TEMPERATURAS

Los materiales se seleccionan en función de los requisitos de servicio. Para aplicaciones que implican cambios de temperatura y gradientes térmicos significativos, es fundamental investigar las propiedades mecánicas de los materiales a altas temperaturas para conocer a fondo los límites mecánicos. Los materiales, especialmente los polímeros, suelen ablandarse a altas temperaturas. Muchos fallos mecánicos se deben a la deformación por fluencia y a la fatiga térmica que sólo tienen lugar a temperaturas elevadas. Por lo tanto, se necesita una técnica fiable para medir la dureza a altas temperaturas con el fin de garantizar una selección adecuada de los materiales para aplicaciones a altas temperaturas.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

En este estudio, el Tribómetro NANOVEA T50 mide la dureza al rayado de una muestra de teflón a diferentes temperaturas, desde temperatura ambiente hasta 300ºC. La capacidad de realizar mediciones de dureza al rayado a alta temperatura hace que el NANOVEA Tribómetro un sistema versátil para evaluaciones tribológicas y mecánicas de materiales para aplicaciones de alta temperatura.

NANOVEA

T50

SABER MÁS

CONDICIONES DE ENSAYO

Se utilizó el tribómetro estándar de peso libre NANOVEA T50 para realizar los ensayos de dureza al rayado en una muestra de teflón a temperaturas que oscilaban entre la temperatura ambiente (TA) y 300°C. El teflón tiene un punto de fusión de 326,8°C. Se utilizó un palpador cónico de diamante con un ángulo de vértice de 120° y un radio de punta de 200 µm. La muestra de teflón se fijó en la platina giratoria con una distancia de 10 mm al centro de la platina. La muestra se calentó en un horno y se probó a temperaturas de RT, 50°C, 100°C, 150°C, 200°C, 250°C y 300°C.

PARÁMETROS DE PRUEBA

de la medición de la dureza al rayado a alta temperatura

FUERZA NORMAL 2 N
VELOCIDAD DE DESLIZAMIENTO 1 mm/s
DISTANCIA DE DESLIZAMIENTO 8 mm por temperatura
ATMÓSFERA Aire
TEMPERATURA RT, 50°C, 100°C, 150°C, 200°C, 250°C, 300°C.

RESULTADOS Y DEBATE

En la FIGURA 1 se muestran los perfiles de la pista de rayado de la muestra de teflón a diferentes temperaturas con el fin de comparar la dureza del rayado a diferentes temperaturas elevadas. La acumulación de material en los bordes de la pista de rayado se forma a medida que el palpador se desplaza con una carga constante de 2 N y penetra en la muestra de teflón, empujando y deformando el material de la pista de rayado hacia un lado.

Las huellas de rayado se examinaron al microscopio óptico como se muestra en la FIGURA 2. Las anchuras de las huellas de rayado medidas y los números de dureza de rayado (HSP) calculados se resumen en la FIGURA 3. En la FIGURA 3 se resumen y comparan las anchuras de las pistas de rayado medidas y los números de dureza de rayado (HSP) calculados. La anchura de la pista de rayado medida con el microscopio coincide con la medida con el NANOVEA Profiler: la muestra de teflón presenta una anchura de rayado mayor a temperaturas más altas. La anchura de la pista de rayado aumenta de 281 a 539 µm a medida que la temperatura se eleva de RT a 300oC, lo que resulta en una disminución de la HSP de 65 a 18 MPa.

La dureza al rayado a temperaturas elevadas puede medirse con alta precisión y repetibilidad utilizando el Tribómetro NANOVEA T50. Proporciona una solución alternativa a otras mediciones de dureza y convierte a los tribómetros NANOVEA en un sistema más completo para evaluaciones tribo-mecánicas exhaustivas a altas temperaturas.

FIGURA 1: Perfiles de huellas de arañazos tras los ensayos de dureza al rayado a diferentes temperaturas.

FIGURA 2: Huellas de arañazos bajo el microscopio tras las mediciones a diferentes temperaturas.

FIGURA 3: Evolución de la anchura de la pista de rayado y de la dureza del rayado en función de la temperatura.

CONCLUSIÓN

En este estudio, mostramos cómo el tribómetro NANOVEA mide la dureza al rayado a temperaturas elevadas de conformidad con la norma ASTM G171-03. El ensayo de dureza al rayado con carga constante proporciona una solución alternativa sencilla para comparar la dureza de los materiales utilizando el tribómetro. La capacidad de realizar mediciones de dureza al rayado a temperaturas elevadas convierte al Tribómetro NANOVEA en una herramienta ideal para evaluar las propiedades tribo-mecánicas de los materiales a altas temperaturas.

El tribómetro NANOVEA también ofrece pruebas de desgaste y fricción precisas y repetibles mediante modos rotativos y lineales conformes con ISO y ASTM, con módulos opcionales de desgaste a alta temperatura, lubricación y tribo-corrosión disponibles en un sistema preintegrado. Hay disponible un perfilador 3D sin contacto opcional para obtener imágenes 3D de alta resolución de las huellas de desgaste, además de otras mediciones de superficies como la rugosidad.

1 Wredenberg, Fredrik; PL Larsson (2009). "Ensayo de rayado de metales y polímeros: Experiments and numerics". Wear 266 (1-2): 76
2 ASTM G171-03 (2009), "Standard Test Method for Scratch Hardness of Materials Using a Diamond Stylus" (Método de ensayo estándar para la dureza al rayado de materiales utilizando un estilete de diamante).

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Imaginemos una situación en la que una muestra a granel se calienta uniformemente a una velocidad constante. A medida que el material a granel se calienta y se acerca a su punto de fusión, comienza a perder rigidez. Si se realizan indentaciones periódicas (ensayos de dureza) con la misma fuerza objetivo, la profundidad de cada indentación debería aumentar constantemente, ya que la muestra se vuelve más blanda (véase la figura 1). Esto continúa hasta que la muestra comienza a fundirse. En ese momento, se observará un gran aumento de la profundidad por indentación. Utilizando este concepto, se puede observar el cambio de fase en un material mediante oscilaciones dinámicas con una amplitud de fuerza fija y midiendo su desplazamiento, es decir, mediante el análisis mecánico dinámico (DMA).   ¡Lee sobre la transición vítrea localizada precisa!

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