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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

アンドリュー・ショア

はじめに

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.

測定目的

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.

ナノビア T2000 高負荷

空気圧式トライボメーター

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NANOVEA T2000 high load pneumatic tribometer for friction and wear testing

試験方法

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.

テスト・パラメーター

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

結果および考察

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
距離 Unit A B
HDist ミリメートル 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.

結論

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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トライボメータによる高温スクラッチ硬度測定

トライボメーターによる高温スクラッチ硬度

トライボメータによる

作成者

DUANJIE, PhD

はじめに

硬度は、材料の永久変形や塑性変形に対する抵抗力を測定するものである。1820年にドイツの鉱物学者フリードリヒ・モースによって開発された硬さ試験で、鋭利な物体との摩擦による傷や摩耗に対する材料の硬さを測定する。1.モース硬度はリニアスケールではなく比較指数であるため、より正確で定性的なスクラッチ硬度測定がASTM規格G171-03に記載されているように開発されました。2.ダイヤモンドの触針でできた傷の平均幅を測定し、傷の硬さ（HSP）を算出するものです。

高温下でのスクラッチ硬度測定の重要性

材料は、サービス要件に基づいて選択されます。大きな温度変化や温度勾配を伴う用途では、高温での材料の機械的特性を調査し、機械的限界を十分に認識することが重要です。材料、特にポリマーは通常、高温になると軟化します。多くの機械的故障は、高温でのみ起こるクリープ変形や熱疲労によって引き起こされます。したがって、高温用途の材料を適切に選択するために、高温での硬度を測定する信頼性の高い技術が必要とされています。

測定目的

この研究では、NANOVEA T50 トライボメーターを使用して、室温から 300℃ までのさまざまな温度でテフロン サンプルの引っかき硬度を測定します。 NANOVEA は、高温での引っかき硬度測定を実行できる機能を備えています。 トライボメータ 高温用途の材料の摩擦学的および機械的評価のための多用途システムです。

ナノビア

T50

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試験条件

NANOVEA T50 Free Weight Standard Tribometerを使用して、室温（RT）から300℃の温度範囲でテフロンサンプルの引っかき硬度試験を実施しました。テフロンの融点は326.8°Cです。先端角120°、先端半径200μmの円錐型ダイヤモンドスタイラスを使用しました。テフロン試料は、回転式試料ステージにステージ中心から10 mmの距離で固定した。試料をオーブンで加熱し、常温、50℃、100℃、150℃、200℃、250℃、300℃の温度で試験した。

テストパラメーター

テストパラメーター

ノーマルフォース 2 N
滑りスピード 1mm/s
滑り距離 8mm/temp
大気 空気
温度 RT、50°C、100°C、150°C、200°C、250°C、300°C

結果・考察

図1には、異なる高温でのスクラッチ硬度を比較するために、異なる温度でのテフロンサンプルのスクラッチトラックプロファイルが示されています。スタイラスが2Nの一定荷重で移動しながらテフロンサンプルに突入し、スクラッチトラック内の材料を横に押し出し変形させることで、スクラッチトラック端に材料の山が形成されます。

図2に示すように、スクラッチトラックを光学顕微鏡で観察した。顕微鏡で測定したスクラッチ痕の幅と、計算で求めたスクラッチ硬度（HSP）を図3にまとめて比較しました。 顕微鏡で測定したスクラッチ痕の幅は、NANOVEAプロファイラーで測定した幅と一致し、テフロンサンプルは高温でより広いスクラッチ幅を示しています。温度が常温から300℃に上昇すると、スクラッチトラックの幅は281μmから539μmに増加し、HSPは65MPaから18MPaに減少しています。

NANOVEA T50トライボメータは、高温下でのスクラッチ硬度を高精度かつ高再現性で測定することができます。他の硬度測定とは異なるソリューションを提供し、ナノビアトライボメータを高温トライボメカニックの総合評価システムとしてより完成度の高いものにしています。

図1: 異なる温度でのスクラッチ硬度試験後のスクラッチトラックプロファイル。

図2: 異なる温度で測定した後の顕微鏡下でのスクラッチ痕。

図3: スクラッチトラック幅とスクラッチ硬度の温度に対する変化。

まとめ

この研究では、ASTM G171-03に準拠した高温でのナノビアトライボメータによるスクラッチ硬度測定方法を紹介します。一定荷重でのスクラッチ硬度測定は、トライボメータを用いた材料の硬度比較のための代替的な簡易ソリューションとなります。高温でのスクラッチ硬さ測定が可能なナノビアトライボメータは、材料の高温トライボメカニカル特性の評価に理想的なツールです。

ナノビアトライボメータは、ISOおよびASTMに準拠した回転モードとリニアモードによる精密で再現性の高い摩耗・摩擦試験を提供し、オプションで高温摩耗、潤滑、トライボコロージョンを一つの統合済みシステムとして利用することも可能です。オプションの3D非接触プロファイラを使用すると、粗さなどの表面測定に加えて、摩耗痕の高解像度3Dイメージングを行うことができます。

1 Wredenberg, Fredrik; PL Larsson (2009).「金属と高分子のスクラッチ試験。Experiments and numerics".Wear 266 (1-2):76
2 ASTM G171-03 (2009), "Standard Test Method for Scratch Hardness of Materials Using Diamond Stylus" ダイヤモンドスタイラスを用いた材料のスクラッチ硬度に関する標準試験方法。

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高温下での磨耗測定

その場磨耗測定 高温時

トライボメータを用いた

現場での磨耗測定 航空宇宙用トライボメータ

作成者

Duanjie Li, PhD

はじめに

LVDT（Linear Variable Differential Transformer）は、直線変位の測定に使用される堅牢な電気変圧器の一種である。電力タービン、油圧、オートメーション、航空機、人工衛星、原子炉など、さまざまな産業用途で広く使われている。

この研究では、LVDT と NANOVEA の高温モジュールのアドオンを取り上げます。 トライボメータ これにより、高温での摩耗プロセス中に、試験サンプルの摩耗トラック深さの変化を測定できるようになります。これにより、ユーザーは摩耗プロセスのさまざまな段階を COF の進化と関連付けることができます。これは、高温用途における材料の摩耗メカニズムとトライボロジー特性の基本的な理解を向上させる上で重要です。

測定目的

本研究では、高温下における材料の摩耗過程の変化をその場で観察できるNANOVEA T50トライボメーターの能力を紹介したいと思います。

アルミナシリケートセラミックスの異なる温度での摩耗過程を、制御・監視しながらシミュレートしています。

ナノビア

T50

試験方法

NANOVEAトライボメータを用いて、アルミナシリケートセラミック板の摩擦係数（COF）および耐摩耗性などのトライボロジー挙動を評価した。アルミナシリケートセラミック板を室温（RT）から高温（400℃および800℃）まで炉で加熱し、その温度で摩耗試験を行った。 

比較のため，800℃から400℃まで冷却し，さらに室温まで冷却した状態で摩耗試験を実施した。AI2O3ボールチップ(直径6mm，グレード100)を試験片にあてがった。COF，摩耗深さ，温度はその場でモニターした。

テストパラメーター

ピンオンディスク測定の

トライボメータ LVDT サンプル

摩耗率Kは，Vを摩耗体積，Fを法線荷重，sを摺動距離，Aを摩耗痕の断面積，nを回転数とし，K=V/(Fxs)=A/(Fxn)の式で評価された．表面粗さと摩耗痕のプロファイルはNANOVEA光学式プロファイラで評価し，摩耗痕の形態は光学顕微鏡で観察した。

結果・考察

その場で記録された COF と摩耗痕深さをそれぞれ図 1 と図 2 に示す。図1において、"-I "は、温度が常温から高温まで上昇したときに行われた試験を表す。"-D "は、800℃の高温から温度を下げた場合を示す。

図 1 に示すように、異なる温度で試験したサンプルは、測定中、同等の COF ～ 0.6 を示しました。このような高いCOFは、相当量の破片を発生させる摩耗プロセスの加速につながります。摩耗痕の深さは、図2に示すように、摩耗試験中にLVDTによってモニターされました。室温での試料加熱前と試料冷却後の試験から、アルミナシリケートセラミックプレートは常温で進行性の摩耗プロセスを示し、摩耗痕深さは摩耗試験を通じて徐々に増加し、それぞれ～170μmと～150μmになりました。 

これに対して，高温（400°C と 800°C）での摩耗試験 では，摩耗痕深さが摩耗プロセスの初期に急速に増加し， 試験を継続するにつれて遅くなるという，異なる摩耗挙動を示 した．400℃-I，800℃，400℃-Dで行った試験の摩耗痕深さは，それぞれ〜140μm，〜350μm，〜210μmであった。

異なる温度でのピンオンデスクテスト時のCOF

図1. 各温度におけるピンオンディスク試験時の摩擦係数

アルミナシリケートセラミック板の各温度における摩耗痕深さ

図2. アルミナシリケートセラミック板の各温度における摩耗痕深さの変化

を用いて、アルミナシリケートセラミック板の各温度における平均摩耗量と摩耗痕深さを測定した。 ナノビア にまとめたオプティカルプロファイラー。 図3.摩耗痕の深さは、LVDTを用いて記録したものと一致している。アルミナシリケートセラミックプレートは、400℃以下の温度では0.2mm3/N以下の摩耗率であるのに対し、800℃では〜0.5mm3/Nと大幅に増加した。アルミナシリケートセラミックプレートは、短時間の加熱処理では機械的/トライボロジー的特性が著しく向上せず、熱処理前と後で同等の摩耗率を有していることがわかった。

アルミナシリケートセラミックは、溶岩や不思議石とも呼ばれ、加熱処理前は軟らかく、機械加工が可能です。1093℃までの高温で長時間焼成することで、硬度と強度が大幅に向上し、その後、ダイヤモンド加工が必要となります。このようなユニークな特性を持つアルミナシリケートセラミックは、彫刻に最適な素材といえます。

本研究では、焼成に必要な温度よりも低い温度で短時間の熱処理（800℃ vs 1093℃）を行っても、アルミナシリケートセラミックスの機械的およびトライボロジー特性が向上しないことを示し、この材料にとって、実際の用途に使用する前の適切な焼成が不可欠なプロセスであることを示した。

 
各温度における試料の摩耗量と摩耗痕深さ 1

図3. 各温度における試料の摩耗量と摩耗痕深さ

まとめ

本研究の総合的なトライボロジー解析に基づき、アルミナシリケートセラミックプレートは、室温から800℃までの異なる温度で同等の摩擦係数を示すことを示しました。しかし、800℃では0.5mm3/Nmと大幅に摩耗量が増加しており、このセラミックの適切な熱処理が重要であることを示しています。

ナノベーストライボメータは、1000℃までの高温で使用される材料のトライボロジー特性を評価することが可能です。COFと摩耗痕の深さをその場で測定する機能により、ユーザーは摩耗プロセスの異なる段階とCOFの変化を関連付けることができます。これは、高温で使用される材料の摩耗メカニズムとトライボロジー特性の基本的理解を深める上で非常に重要なことです。

ナノベーストライボメータは、ISO および ASTM に準拠した回転モードとリニアモードによる精密で再現性の高い摩耗・摩擦試験を提供し、オプションで高温摩耗、潤滑、トライボコロージョンを 1 つの統合済みシステムで利用することができます。ナノベアの比類なき製品群は、薄手または厚手、軟質または硬質のコーティング、フィルム、基材のあらゆるトライボロジー特性を測定するための理想的なソリューションです。

オプションの3D非接触プロファイラを使用すると、粗さなどの他の表面測定に加えて、摩耗痕の高解像度3Dイメージングが可能です。

その場磨耗測定

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回転摩耗と直線摩耗、COFは？(ナノベーストライボメータを用いた総合的検討）

摩耗とは、反対側の表面の機械的作用の結果として、表面上の材料が除去および変形するプロセスです。一方向の滑り、回転、速度、温度など、さまざまな要因の影響を受けます。摩耗、トライボロジーの研究は、物理学、化学から機械工学、材料科学に至るまで、多くの分野に及びます。摩耗の複雑な性質には、凝着摩耗、摩耗摩耗、表面疲労、フレッティング摩耗、エローシブ摩耗などの特定の摩耗メカニズムまたはプロセスに向けた個別の研究が必要です。ただし、「産業摩耗」には通常、複数の摩耗メカニズムが相乗して発生します。

直線往復摩耗試験と回転 (ピンオンディスク) 摩耗試験は、材料の滑り摩耗挙動を測定するために広く使用されている ASTM 準拠のセットアップです。摩耗試験方法の摩耗率の値は、材料の組み合わせの相対的な順位を予測するためによく使用されるため、さまざまな試験設定を使用して測定された摩耗率の再現性を確認することが非常に重要です。これにより、ユーザーは文献で報告されている摩耗率の値を注意深く検討することができます。これは材料の摩擦学的特性を理解する上で重要です。

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トライボロジーによるブレーキパッドの評価


ブレークパッドの性能を評価することの重要性

ブレーキパッドは、複数の材料からなる複合材料であり、多くの安全要求を満足させることが必要です。理想的なブレーキパッドは、高い摩擦係数（COF）、低い摩耗率、最小限の騒音、そして様々な環境下で信頼性を維持することです。ブレーキパッドの品質がその要求を満たすことができるようにするために、トライボロジー試験は重要な仕様を特定するために使用することができます。


ブレーキパッドの信頼性の重要性は非常に高く、乗員の安全性を無視することは許されません。そのため、運転状態を再現し、故障の可能性がある箇所を特定することが重要です。
ナノベアを使うと トライボメータ、ピン、ボール、またはフラットと、常に移動する相手材との間に一定の荷重がかかります。 2 つの材料間の摩擦は硬いロードセルで収集されるため、さまざまな荷重と速度での材料特性の収集が可能になり、高温、腐食性、または液体環境でのテストが可能になります。



測定目的

本研究では，室温から700℃まで連続的に温度上昇する環境下で，ブレーキパッドの摩擦係数を調査した。環境温度は、ブレーキパッドの顕著な破損が観察されるまでその場で上昇させた。摺動界面付近の温度を測定するために、ピンの裏側に熱電対を取り付けた。



試験方法と手順




結果および考察

この研究では、主にブレーキパッドが破損し始める温度に焦点を当てています。ピンの材質がブレーキローターと異なるため、得られたCOFは現実の値を表していない。また、収集した温度データはピンの温度であり、摺動界面温度ではないことに注意が必要である。

 








試験開始時（室温）、SS440CピンとブレーキパッドのCOFは約0.2の安定した値を示した。温度が上昇するにつれ、COFは着実に増加し、350℃付近で0.26の値でピークに達した。390℃を超えると、COFは急速に減少し始める。COFは450℃で0.2まで回復し始めたが、その直後に0.05まで減少し始めた。


ブレーキパッドが常に破損する温度は、500℃以上であることが確認された。この温度を過ぎると、COFはもはや出発時のCOFである0.2を維持することができなくなった。



結論




このブレーキパッドは、500℃を超える温度で一貫して破損を示しました。0.2だったCOFは0.26までゆっくりと上昇し、試験終了時（580℃）には0.05まで低下しています。0.05と0.2の差は4倍。つまり、同じ制動力を得るためには、580℃では常温の4倍もの法線力が必要なのです


この研究には含まれていませんが、ナノベーストライボメータは、ブレーキパッドのもう一つの重要な特性である摩耗速度を観察するための試験も行うことが可能です。当社の3D非接触型プロフィロメータを利用することで、摩耗痕の体積を取得し、サンプルの摩耗速度を算出することができます。ナノベーストライボメータは、さまざまな試験条件や環境下で摩耗試験を行うことができ、使用条件を最もよく再現することができます。

さて、次はアプリケーションについてです。

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高温トライボロジー

トライボメータによる高温スクラッチ硬度測定

材料は、サービス要件に基づいて選択されます。大きな温度変化や温度勾配を伴う用途では、高温での材料の機械的特性を調査し、機械的限界を十分に認識することが重要です。材料、特にポリマーは通常、高温になると軟化します。多くの機械的故障は、高温でのみ起こるクリープ変形や熱疲労によって引き起こされます。したがって、高温用途の材料を適切に選択するために、信頼性の高い高温スクラッチ硬さ測定技術が必要とされています。

トライボメータによる高温スクラッチ硬度測定

 

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