Kategoria: Testy mechaniczne

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

Andrew Shore

Wstęp

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.

Cel pomiaru

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

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.

NANOVEA PB1000 Advanced

Tester mechaniczny

Warunki badania

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 mN
Szybkość ładowania	20 mN/min
Unloading rate	20 mN/min
Creep time	10 s
Computation method	ASTM E2546 & Oliver & Pharr
Indenter type	Berkovich diamond

Wyniki i dyskusja

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%.

Wniosek

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

Andrew Shore

Wstęp

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.

Cel pomiaru

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 Wysokie obciążenie

Trybometr pneumatyczny

Procedura badania

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.

Parametry testowe

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

Wyniki i dyskusja

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.

Odległość	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

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.

Wniosek

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?

Testowanie odporności na zarysowania ochraniaczy ekranu telefonu

Przygotowane przez

Stacey Pereira, Jocelyn Esparza i Pierre Leroux

Zrozumienie odporności na zarysowania w ochraniaczach ekranu telefonu

Powłoki ochronne na ekranach telefonów odgrywają kluczową rolę w zakresie odporności na zarysowania, przyczepności i długoterminowej trwałości. Z biegiem czasu zarysowania, mikropęknięcia i rozwarstwienia powłoki mogą zmniejszyć przejrzystość optyczną i niezawodność - szczególnie w środowiskach o wysokiej intensywności użytkowania. Aby ocenić, w jaki sposób różne zabezpieczenia ekranu są odporne na uszkodzenia mechaniczne, oprzyrządowane testy zarysowań zapewniają wymierny wgląd w mechanizmy uszkodzenia powłoki, w tym przyczepność, spójność i pękanie.

W tym badaniu, Tester mechaniczny NANOVEA PB1000 służy do porównywania ochraniaczy ekranu z TPU i szkła hartowanego pod kontrolowanym obciążeniem progresywnym. Korzystając z precyzyjnej detekcji emisji akustycznej, identyfikujemy krytyczne obciążenia awaryjne i charakteryzujemy, w jaki sposób każdy materiał reaguje na rosnące naprężenia mechaniczne.

Dlaczego testy odporności na zarysowania mają znaczenie dla ochraniaczy ekranu?

Wielu użytkowników zakłada, że grubsze lub twardsze ochraniacze automatycznie działają lepiej, ale rzeczywista trwałość zależy od tego, jak materiał zachowuje się pod obciążeniem progresywnym, odkształceniem powierzchni i miejscowym naprężeniem. Oprzyrządowane testy zarysowań umożliwiają inżynierom pomiar przyczepności powłoki, wytrzymałości kohezyjnej, odporności na zużycie powierzchni oraz dokładnych obciążeń, przy których dochodzi do inicjacji lub propagacji uszkodzeń.

Analizując punkty inicjacji pęknięć, zachowanie podczas rozwarstwiania i tryby awarii, producenci mogą zweryfikować wydajność ochrony ekranu na potrzeby badań i rozwoju, kontroli jakości lub porównawczych testów porównawczych. Testy nano- i mikro-zarysowań oferują powtarzalny, oparty na danych wgląd w rzeczywistą trwałość znacznie wykraczającą poza tradycyjne oceny twardości.

ℹ️ Dowiedz się więcej o usługi testowania zarysowań i przyczepności powłok i zabezpieczeń ekranu.

Cel testu Scratch:
Pomiar obciążeń awaryjnych w osłonach ekranu

Celem tego badania jest zademonstrowanie, w jaki sposób tester mechaniczny NANOVEA PB1000 przeprowadza powtarzalne, znormalizowane testy odporności na zarysowania zarówno polimerowych, jak i szklanych osłon ekranu. Poprzez stopniowe zwiększanie przyłożonego obciążenia, system wykrywa obciążenia krytyczne dla uszkodzenia spoiwa i kleju, rejestruje sygnały emisji akustycznej i koreluje te zdarzenia z głębokością zarysowania, siłą tarcia i deformacją powierzchni.

Metodologia ta zapewnia pełny profil mechaniczny każdej powłoki ochronnej, umożliwiając producentom i zespołom badawczo-rozwojowym ocenę receptur materiałów, siły przyczepności powłoki, trwałości powierzchni i optymalnej grubości powłoki w celu poprawy wydajności produktu. Te oceny zarysowań są częścią szerszego pakietu produktów NANOVEA. rozwiązania do testów mechanicznych wykorzystywane do charakteryzowania powłok, folii i podłoży w środowiskach badawczo-rozwojowych, kontroli jakości i produkcyjnych.

NANOVEA PB1000 - duża platforma
Tester mechaniczny

Parametry testu zarysowań i konfiguracja urządzenia

Ocena odporności na zarysowania ochraniaczy ekranu z TPU i szkła hartowanego została przeprowadzona w kontrolowanych warunkach, aby zapewnić powtarzalność i dokładne wykrywanie uszkodzeń. Poniższe parametry definiują konfigurację do testowania zarysowań pod obciążeniem progresywnym stosowaną w testerze mechanicznym NANOVEA PB1000.

TYP OBCIĄŻENIA	PROGRESYWNY
OBCIĄŻENIE POCZĄTKOWE	0.1 N
OBCIĄŻENIE KOŃCOWE	12 N
PRĘDKOŚĆ PRZESUWANIA	3,025 mm/min
ODLEGŁOŚĆ PRZESUWU	3 mm
GEOMETRIA WGŁĘBNIKA	ROCKWELL (STOŻEK 120°)
MATERIAŁ WGŁĘBNIKA (KOŃCÓWKA)	DIAMENT
PROMIEŃ KOŃCÓWKI WGŁĘBNIKA	50 µm
ATMOSFERY	POWIETRZE
TEMPERATURA	24°C (TEMP. POKOJOWA)

TABELA 1: Parametry testowe używane do testowania zarysowań

Próbka ochraniacza ekranu zamontowana na testerze mechanicznym NANOVEA PB1000 podczas pomiaru zarysowania przy obciążeniu progresywnym.

Próbki ochraniaczy ekranu używane do testów odporności na zarysowania

W celu porównania różnic w odporności na zarysowania, odporności na uszkodzenia i trwałości mechanicznej wybrano dwa dostępne na rynku materiały ochraniaczy ekranu. Obie próbki zostały bezpiecznie zamontowane na testerze mechanicznym NANOVEA PB1000 i ocenione w identycznych warunkach obciążenia progresywnego, aby zapewnić spójne i bezstronne porównanie.

Ochraniacz ekranu z TPU reprezentuje elastyczną folię polimerową o wysokiej elastyczności, ale niższej odporności na ścieranie, podczas gdy ochraniacz ze szkła hartowanego reprezentuje sztywny, kruchy materiał zaprojektowany z myślą o wysokiej twardości i zwiększonej ochronie przed uderzeniami. Testowanie obu materiałów pod tym samym profilem obciążenia pozwala na jasną ocenę, w jaki sposób skład materiału, elastyczność i twardość wpływają na tryby uszkodzenia zarysowania.

Ochraniacz ekranu TPU

Szkło hartowane

RYSUNEK 1: Ochraniacze ekranu z TPU i szkła hartowanego przygotowane do testów odporności na zarysowania.

Wyniki testów na zarysowania: Tryby awarii w ochraniaczach ekranu z TPU i szkła hartowanego

TYP OSŁONY EKRANU	OBCIĄŻENIE KRYTYCZNE #1 (N)	OBCIĄŻENIE KRYTYCZNE #2 (N)
TPU	n/d	2.004 ± 0.063
SZKŁO HARTOWANE	3.608 ± 0.281	7.44 ± 0.995

TABELA 2: Podsumowanie obciążeń krytycznych dla każdej próbki ochraniacza ekranu.

Ponieważ ochraniacze ekranu z TPU i szkła hartowanego mają zasadniczo różne właściwości mechaniczne, każda próbka wykazywała różne tryby uszkodzenia i progi obciążenia krytycznego podczas testów zarysowania pod obciążeniem progresywnym. Tabela 2 podsumowuje zmierzone obciążenia krytyczne dla każdego materiału.

Obciążenie krytyczne #1 reprezentuje pierwszy obserwowalny punkt uszkodzenia spoistości pod mikroskopem optycznym, taki jak inicjacja pęknięcia lub pęknięcie promieniowe.

Obciążenie krytyczne #2 odpowiada pierwszemu poważnemu zdarzeniu wykrytemu za pomocą monitorowania emisji akustycznej (AE), zwykle reprezentującemu większe uszkodzenie strukturalne lub zdarzenie penetracji.

Ochraniacz ekranu TPU - elastyczne zachowanie polimeru

Ochraniacz ekranu TPU wykazywał tylko jedno znaczące zdarzenie krytyczne (obciążenie krytyczne #2). Obciążenie to odpowiada punktowi wzdłuż śladu zarysowania, w którym folia zaczęła się podnosić, odklejać lub rozwarstwiać od powierzchni ekranu telefonu.

Po przekroczeniu obciążenia krytycznego #2 (≈2,00 N), wgłębnik wniknął wystarczająco, aby spowodować widoczne zadrapanie bezpośrednio na ekranie telefonu przez pozostałą część testu. Nie wykryto żadnego oddzielnego zdarzenia obciążenia krytycznego #1, co jest zgodne z wysoką elastycznością materiału i niższą wytrzymałością kohezyjną.

Ochraniacz ekranu ze szkła hartowanego - kruche zachowanie podczas awarii

Ochraniacz ekranu ze szkła hartowanego wykazał dwa różne obciążenia krytyczne, charakterystyczne dla materiałów kruchych:

Obciążenie krytyczne #1 (≈3,61 N): Pod mikroskopem zaobserwowano pęknięcia promieniowe i inicjację pęknięć, co wskazuje na wczesne uszkodzenie kohezyjne warstwy szkła.
Obciążenie krytyczne #2 (≈7,44 N): Duży skok AE i gwałtowny wzrost głębokości zarysowania wskazywały na penetrację protektora przy wyższych obciążeniach.

Chociaż wielkość AE była wyższa niż w przypadku TPU, żadne uszkodzenia nie zostały przeniesione na ekran telefonu, demonstrując zdolność ochraniacza ze szkła hartowanego do pochłaniania i rozkładania obciążenia przed katastrofalną awarią.

W obu materiałach obciążenie krytyczne #2 odpowiadało momentowi, w którym wgłębnik przebił osłonę ekranu, potwierdzając limit ochronny każdej próbki.

Ochraniacz ekranu TPU: Dane z testów zarysowań i analiza awarii

SCRATCH	OBCIĄŻENIE KRYTYCZNE #2 (N)
1	2.033
2	2.047
3	1.931
ŚREDNIA	2.003
ODCHYLENIE STANDARDOWE	0.052

TABELA 3: Obciążenia krytyczne zmierzone podczas testów zarysowań ochraniacza ekranu TPU.

RYSUNEK 2: Siła tarcia, obciążenie normalne, emisja akustyczna (AE) i głębokość zarysowania w zależności od długości zarysowania dla ochraniacza ekranu TPU. (B) Obciążenie krytyczne #2

RYSUNEK 3: Obraz mikroskopii optycznej ochraniacza ekranu TPU przy obciążeniu krytycznym #2 (powiększenie 5×; szerokość obrazu 0,8934 mm).

RYSUNEK 4: Pełnowymiarowy obraz ochraniacza ekranu TPU po zarysowaniu, pokazujący pełny ślad zarysowania po testach obciążenia progresywnego.

Ochraniacz ekranu ze szkła hartowanego: Dane obciążenia krytycznego i zachowanie przy pękaniu

SCRATCH	OBCIĄŻENIE KRYTYCZNE #1 (N)	OBCIĄŻENIE KRYTYCZNE #2 (N)
1	3.923	7.366
2	3.382	6.483
3	3.519	8.468
ŚREDNIA	3.653	6.925
ODCHYLENIE STANDARDOWE	0.383	0.624

TABELA 4: Obciążenia krytyczne zmierzone podczas testów zarysowania osłony ekranu ze szkła hartowanego.

ℹ️ Dla porównania z niekrzemianowymi powłokami polimerowymi, zobacz nasze badanie na temat Testy zużycia powłoki PTFE, który podkreśla zachowanie podczas uszkodzenia folii polimerowych o niskim współczynniku tarcia w podobnych warunkach obciążenia progresywnego.

RYSUNEK 5: Siła tarcia, obciążenie normalne, emisja akustyczna (AE) i głębokość zarysowania w zależności od długości zarysowania dla osłony ekranu ze szkła hartowanego. (A) Obciążenie krytyczne #1 (B) Obciążenie krytyczne #2

RYSUNEK 6: Obrazy mikroskopii optycznej przedstawiające miejsca uszkodzenia dla obciążenia krytycznego #1 (po lewej) i obciążenia krytycznego #2 (po prawej) w 5-krotnym powiększeniu (szerokość obrazu: 0,8934 mm).

RYSUNEK 7: Obraz mikroskopii optycznej śladu zarysowania szkła hartowanego po teście, podkreślający inicjację pęknięcia (CL#1) i końcową strefę penetracji (CL#2) po testach z obciążeniem progresywnym.

Wnioski: Porównanie odporności na zarysowania ochraniaczy ekranu z TPU i szkła hartowanego

Badanie to pokazuje, w jaki sposób tester mechaniczny NANOVEA PB1000 zapewnia kontrolowane, powtarzalne i bardzo czułe pomiary odporności na zarysowania przy użyciu progresywnego obciążenia i wykrywania emisji akustycznej (AE). Precyzyjnie rejestrując zarówno uszkodzenia kohezyjne, jak i adhezyjne, system umożliwia wyraźne porównanie zachowania TPU i hartowanego szkła w warunkach rosnącego obciążenia mechanicznego.

Wyniki eksperymentów potwierdzają, że szkło hartowane wykazuje znacznie wyższe obciążenia krytyczne niż TPU, zapewniając lepszą odporność na zarysowania, opóźnioną inicjację pękania i niezawodną ochronę przed penetracją wgłębnika. Niższa wytrzymałość kohezyjna TPU i wcześniejsza delaminacja podkreślają jego ograniczenia w środowiskach o wysokim obciążeniu.

Po zidentyfikowaniu obciążeń awaryjnych, powstałe ślady zarysowań mogą być również analizowane przy użyciu funkcji bezdotykowy profilometr optyczny 3D do pomiaru głębokości rowka, odkształcenia szczątkowego i topografii po zarysowaniu. Pomaga to uzupełnić profil mechaniczny każdego materiału.

Tester mechaniczny NANOVEA został zaprojektowany do dokładnych i powtarzalnych testów wgłębień, zarysowań i zużycia oraz obsługuje nano- i mikromoduły zgodne z normami ISO i ASTM. Jego wszechstronność sprawia, że jest to idealne rozwiązanie do oceny pełnego profilu mechanicznego cienkich warstw, powłok, polimerów, szkieł i podłoży w badaniach i rozwoju, produkcji i kontroli jakości.

Często zadawane pytania
Informacje o testach odporności na zarysowania

Czym jest test odporności na zarysowania?

Testy odporności na zarysowania oceniają, jak materiał lub powłoka reaguje, gdy diamentowy trzpień pomiarowy przykłada stopniowo rosnące obciążenie. Test identyfikuje krytyczne obciążenia, przy których występują uszkodzenia spójności lub przyczepności, zapewniając wymierną miarę trwałości, siły przyczepności i odporności na uszkodzenia powierzchni.

Jaka jest różnica między uszkodzeniem kohezyjnym a adhezyjnym?

Występuje uszkodzenie spójności w ramach powłoki lub materiału, takich jak pęknięcia, rozdarcia lub pęknięcia wewnętrzne.
Uszkodzenie kleju ma miejsce, gdy powłoka odrywa się od podłoża, co wskazuje na niewystarczającą siłę wiązania.

NANOVEA PB1000 wykrywa oba te czynniki za pomocą zsynchronizowanego monitorowania emisji akustycznej, śledzenia głębokości zarysowania i analizy tarcia.

Dlaczego warto używać testera mechanicznego zamiast metod ręcznych?

Tester mechaniczny, taki jak NANOVEA PB1000, zapewnia precyzyjne, powtarzalne i znormalizowane pomiary, zapewniając wiarygodne dane do badań i rozwoju, walidacji produkcji i kontroli jakości. Oferuje również zaawansowane funkcje, takie jak wykrywanie emisji akustycznej i monitorowanie głębokości w czasie rzeczywistym, których nie mogą zapewnić metody ręczne.

Potrzebujesz niezawodnego testu zarysowań dla swoich materiałów?

Test zużycia powłoki PTFE

BADANIE ZUŻYCIA POWŁOKI PTFE

Z WYKORZYSTANIEM TRIBOMETRA I TESTERA MECHANICZNEGO

Przygotowane przez

DUANJIE LI, PhD

WPROWADZENIE

Politetrafluoroetylen (PTFE), powszechnie znany jako teflon, jest polimerem o wyjątkowo niskim współczynniku tarcia (COF) i doskonałej odporności na zużycie w zależności od zastosowanych obciążeń. PTFE wykazuje doskonałą obojętność chemiczną, wysoką temperaturę topnienia 327°C (620°F) oraz zachowuje wysoką wytrzymałość, ciągliwość i samosmarowność w niskich temperaturach. Wyjątkowa odporność na zużycie powłok PTFE sprawia, że są one bardzo poszukiwane w wielu zastosowaniach przemysłowych, takich jak motoryzacja, lotnictwo, medycyna, a zwłaszcza naczynia kuchenne.

ZNACZENIE ILOŚCIOWEJ OCENY POWŁOK PTFE

Połączenie bardzo niskiego współczynnika tarcia (COF), doskonałej odporności na zużycie i wyjątkowej obojętności chemicznej w wysokich temperaturach sprawia, że PTFE jest idealnym wyborem do nieprzywierających powłok patelni. Aby jeszcze bardziej udoskonalić swoje procesy mechaniczne podczas prac badawczo-rozwojowych, a także zapewnić optymalną kontrolę nad zapobieganiem awariom i środkami bezpieczeństwa w procesie kontroli jakości, kluczowe znaczenie ma posiadanie niezawodnej techniki ilościowej oceny procesów trybomechanicznych powłok PTFE. Precyzyjna kontrola tarcia powierzchni, zużycia i przyczepności powłok jest niezbędna do zapewnienia ich zamierzonego działania.

CEL POMIARU

W tej aplikacji proces zużycia powłoki PTFE na nieprzywierającej patelni jest symulowany za pomocą trybometru NANOVEA w liniowym trybie posuwisto-zwrotnym.

NANOVEA T50 Compact
Tribometr z wolnym ciężarem

Ponadto tester mechaniczny NANOVEA został wykorzystany do przeprowadzenia testu przyczepności mikrozarysowań w celu określenia obciążenia krytycznego braku przyczepności powłoki PTFE.

NANOVEA PB1000 Duża platforma Tester mechaniczny

PROCEDURA TESTOWA

TEST ZUŻYCIA

LINIOWE ZUŻYCIE TAŁKOWE Z WYKORZYSTANIEM TRYBOMETRU

Zachowanie trybologiczne próbki powłoki PTFE, w tym współczynnik tarcia (COF) i odporność na zużycie, oceniano za pomocą NANOVEA Tribometr w trybie liniowym, posuwisto-zwrotnym. Na powłokę zastosowano kulistą końcówkę ze stali nierdzewnej 440 o średnicy 3 mm (klasa 100). Współczynnik COF był stale monitorowany podczas testu zużycia powłoki PTFE.

Szybkość zużycia K obliczono ze wzoru K=V/(F×s)=A/(F×n), gdzie V oznacza objętość zużycia, F to normalne obciążenie, s to droga poślizgu, A to pole przekroju poprzecznego toru zużycia, n to liczba uderzeń. Profile śladów zużycia oceniano za pomocą NANOVEA Profilometr optycznyi zbadano morfologię śladów zużycia za pomocą mikroskopu optycznego.

PARAMETRY BADANIA ZUŻYCIA

LOAD	30 N
CZAS TRWANIA TESTU	5 minut
SZYBKOŚĆ SUWAKU	80 obr./min
AMPLITUDA ŚCIEŻKI	8 mm
REWOLUCJE	300
ŚREDNICA KULKI	3 mm
MATERIAŁ KULKI	Stal nierdzewna 440
SMAROWIDŁO	Nic
ATMOSFERY	Air
TEMPERATURA	230C (RT)
HUMIDITY	43%

PROCEDURA TESTOWA

TEST NA ZADRAŻNIENIA

BADANIE PRZYCZEPNOŚCI MIKRO ZARYSOWAŃ Z WYKORZYSTANIEM TESTERA MECHANICZNEGO

Pomiar przyczepności przy zarysowaniu PTFE przeprowadzono przy użyciu NANOVEA Tester mechaniczny za pomocą diamentowej igły 1200 Rockwell C (promień 200 μm) w trybie Micro Scratch Tester.

Aby zapewnić powtarzalność wyników, przeprowadzono trzy testy w identycznych warunkach testowych.

PARAMETRY BADANIA ZARYSOWANIA

TYP OBCIĄŻENIA	Postępowe
OBCIĄŻENIE POCZĄTKOWE	0,01 mN
OBCIĄŻENIE KOŃCOWE	20 mN
PRĘDKOŚĆ ZAŁADUNKU	40 mN/min
DŁUGOŚĆ SKRATKI	3 mm
PRĘDKOŚĆ SKRATOWANIA, dx/dt	6,0 mm/min
GEOMETRIA WGŁĘBNIKA	120o Rockwell C
MATERIAŁ DO INDENTERÓW (końcówka)	Diament
PROMIEŃ KOŃCÓWKI WGŁĘBNIKA	200 μm

WYNIKI I DYSKUSJA

LINIOWE ZUŻYCIE TAŁKOWE Z WYKORZYSTANIEM TRYBOMETRU

COF zarejestrowany in situ pokazano na FIGURZE 1. Próbka testowa wykazywała COF ~0,18 podczas pierwszych 130 obrotów, ze względu na niską lepkość PTFE. Jednakże nastąpił nagły wzrost COF do ~1, gdy powłoka przebiła się, odsłaniając podłoże pod spodem. Po liniowych testach ruchu posuwisto-zwrotnego zmierzono profil zużycia za pomocą NANOVEA Bezkontaktowy proflometr optycznyjak pokazano na RYSUNKU 2. Na podstawie uzyskanych danych obliczono odpowiednią szybkość zużycia na ~2,78 × 10-3 mm3/Nm, natomiast głębokość śladu zużycia określono na 44,94 µm.

Konfiguracja testu zużycia powłoki PTFE na trybometrze NANOVEA T50.

RYSUNEK 1: Ewolucja COF podczas testu zużycia powłoki PTFE.

RYSUNEK 2: Ekstrakcja profilu śladu zużycia PTFE.

PTFE Przed przełomem

Maksymalny współczynnik COF	0.217
Min. COF	0.125
Średni współczynnik COF	0.177

PTFE Po przebiciu

Maksymalny współczynnik COF	0.217
Min. COF	0.125
Średni współczynnik COF	0.177

TABELA 1: COF przed i po przebiciu podczas testu zużycia.

WYNIKI I DYSKUSJA

BADANIE PRZYCZEPNOŚCI MIKRO ZARYSOWAŃ Z WYKORZYSTANIEM TESTERA MECHANICZNEGO

Przyczepność powłoki PTFE do podłoża jest mierzona za pomocą testów zarysowania diamentowym trzpieniem o średnicy 200 µm. Mikrografię przedstawiono na RYSUNKU 3 i RYSUNKU 4, Ewolucja COF i głębokość penetracji na RYSUNKU 5. Wyniki testu zarysowania powłoki PTFE podsumowano w TABELI 4. Wraz ze wzrostem obciążenia trzpienia diamentowego stopniowo wnikał on w powłokę, co powoduje wzrost COF. Po osiągnięciu obciążenia ~8,5 N przebicie powłoki i odsłonięcie podłoża nastąpiło pod wysokim ciśnieniem, co doprowadziło do wysokiego współczynnika COF ~0,3. Niska wartość St Dev przedstawiona w TABELI 2 pokazuje powtarzalność testu zarysowania powłoki PTFE przeprowadzonego przy użyciu testera mechanicznego NANOVEA.

RYSUNEK 3: Mikrofotografia pełnej rysy na PTFE (10X).

RYSUNEK 4: Mikrofotografia pełnej rysy na PTFE (10X).

RYSUNEK 5: Wykres tarcia przedstawiający linię krytycznego punktu zniszczenia PTFE.

*Scratch*	*Punkt awarii [N]*	*Siła tarcia [N]*	*COF*
1	0.335	0.124	0.285
2	0.337	0.207	0.310
3	0.380	0.229	0.295
Przeciętny	8.52	2.47	0.297
Św	0.17	0.16	0.012

TABELA 2: Podsumowanie obciążenia krytycznego, siły tarcia i COF podczas testu zarysowania.

PODSUMOWANIE

W tym badaniu przeprowadziliśmy symulację procesu zużycia powłoki PTFE na nieprzywierających patelniach za pomocą tribometru NANOVEA T50 w liniowym trybie posuwisto-zwrotnym. Powłoka PTFE wykazywała niski współczynnik COF wynoszący ~0,18. Powłoka uległa przebiciu przy około 130 obrotach. Ilościową ocenę przyczepności powłoki PTFE do podłoża metalowego przeprowadzono za pomocą testera mechanicznego NANOVEA, który w tym teście określił obciążenie krytyczne utraty przyczepności powłoki na ~8,5 N.

Trybometry NANOVEA oferują precyzyjne i powtarzalne możliwości testowania zużycia i tarcia przy użyciu trybów obrotowych i liniowych zgodnych z ISO i ASTM. Zapewniają opcjonalne moduły do zużycia w wysokich temperaturach, smarowania i tribokorozji, a wszystko to zintegrowane w jednym systemie. Ta wszechstronność pozwala użytkownikom dokładniej symulować rzeczywiste środowiska aplikacji i lepiej zrozumieć mechanizmy zużycia i właściwości tribologiczne różnych materiałów.

Testery mechaniczne NANOVEA oferują moduły Nano, Micro i Macro, z których każdy zawiera zgodne z ISO i ASTM tryby testowania wgnieceń, zarysowania i zużycia, zapewniając najszerszy i najbardziej przyjazny dla użytkownika zakres możliwości testowania dostępnych w jednym systemie.

Masz podobną aplikację?

Dynamiczna analiza mechaniczna korka przy użyciu nanoindentacji

DYNAMICZNA ANALIZA MECHANICZNA

KORKA PRZY UŻYCIU NANOINDENTACJI

Przygotowane przez

FRANK LIU

WPROWADZENIE

Dynamiczna analiza mechaniczna (DMA) jest potężną techniką wykorzystywaną do badania właściwości mechanicznych materiałów. W tym zastosowaniu skupiamy się na analizie korka, szeroko stosowanego materiału w procesach uszczelniania i starzenia wina. Korek, uzyskiwany z kory dębu Quercus suber, wykazuje wyraźne struktury komórkowe, które zapewniają właściwości mechaniczne przypominające syntetyczne polimery. W jednej osi korek ma strukturę plastra miodu. Dwie pozostałe osie mają strukturę wielu prostokątnych pryzmatów. Daje to korkowi różne właściwości mechaniczne w zależności od testowanej orientacji.

ZNACZENIE DYNAMICZNEJ ANALIZY MECHANICZNEJ (DMA) W OCENIE WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNYCH KORKA

Jakość korków w dużej mierze zależy od ich właściwości mechanicznych i fizycznych, które mają kluczowe znaczenie dla ich skuteczności w uszczelnianiu wina. Kluczowe czynniki określające jakość korka obejmują elastyczność, izolację, sprężystość i nieprzepuszczalność dla gazów i cieczy. Wykorzystując dynamiczną analizę mechaniczną (DMA), możemy ilościowo ocenić właściwości elastyczności i sprężystości korków, zapewniając wiarygodną metodę oceny.

Tester mechaniczny NANOVEA PB1000 w zestawie Nanoindentacja umożliwia scharakteryzowanie tych właściwości, w szczególności modułu Younga, modułu magazynowania, modułu stratności i tan delta (tan (δ)). Testy DMA pozwalają również na gromadzenie cennych danych na temat przesunięcia fazowego, twardości, naprężenia i odkształcenia materiału korka. Dzięki tym kompleksowym analizom uzyskujemy głębszy wgląd w mechaniczne zachowanie korków i ich przydatność do uszczelniania wina.

CEL POMIARU

W niniejszym badaniu przeprowadzono dynamiczną analizę mechaniczną (DMA) czterech korków przy użyciu testera mechanicznego NANOVEA PB1000 w trybie nanoindentacji. Jakość korków została oznaczona jako: 1 - Flor, 2 - First, 3 - Colmated, 4 - Synthetic rubber. Testy wgłębień DMA przeprowadzono zarówno w kierunku osiowym, jak i promieniowym dla każdego korka. Analizując reakcję mechaniczną korków, chcieliśmy uzyskać wgląd w ich dynamiczne zachowanie i ocenić ich wydajność w różnych orientacjach.

NANOVEA

PB1000

PARAMETRY BADANIA

MAX FORCE	75 mN
PRĘDKOŚĆ ZAŁADUNKU	150 mN/min
PRĘDKOŚĆ ROZŁADUNKU	150 mN/min
AMPLITUDE	5 mN
CZĘSTOTLIWOŚĆ	1 Hz
CREEP	60 s

typ wgłębnika

Piłka

51200 Stal

Średnica 3 mm

WYNIKI

W poniższych tabelach i wykresach porównano moduł Younga, moduł magazynowania, moduł stratności i tan delta dla każdej próbki i orientacji.

Moduł Younga: Stabilność; wysokie wartości wskazują na stabilność, niskie wartości wskazują na elastyczność.

Moduł przechowywania: Odpowiedź elastyczna; energia zmagazynowana w materiale.

Moduł strat: Reakcja lepka; utrata energii z powodu ciepła.

Tan (δ): Tłumienie; wysokie wartości wskazują na większe tłumienie.

ORIENTACJA OSIOWA

*Zatyczka*	*MODUŁ YOUNGA*	*MODUŁ PRZECHOWYWANIA*	*MODUŁ STRATY*	*TAN*
#	*(MPa)*	*(MPa)*	*(MPa)*	*(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

ORIENTACJA PROMIENIOWA

*Zatyczka*	*MODUŁ YOUNGA*	*MODUŁ PRZECHOWYWANIA*	*MODUŁ STRATY*	*TAN*
#	*(MPa)*	*(MPa)*	*(MPa)*	*(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

MODUŁ YOUNGA

MODUŁ PRZECHOWYWANIA

MODUŁ STRATY

TAN DELTA

Pomiędzy korkami moduł Younga nie różni się zbytnio, gdy testowany jest w kierunku osiowym. Tylko korki #2 i #3 wykazały wyraźną różnicę w module Younga między kierunkiem promieniowym i osiowym. W rezultacie moduł magazynowania i moduł stratności będą również wyższe w kierunku promieniowym niż w kierunku osiowym. Korek #4 wykazuje podobną charakterystykę do korków z naturalnego korka, z wyjątkiem modułu strat. Jest to dość interesujące, ponieważ oznacza to, że korki naturalne mają większą lepkość niż materiał z gumy syntetycznej.

PODSUMOWANIE

NANOVEA Tester mechaniczny w trybie Nano Scratch Tester umożliwia symulację wielu rzeczywistych uszkodzeń powłok malarskich i twardych. Przykładając rosnące obciążenia w kontrolowany i ściśle monitorowany sposób, przyrząd pozwala określić, przy jakich obciążeniach występują awarie. Można to następnie wykorzystać jako sposób na określenie ilościowych wartości odporności na zarysowania. Wiadomo, że badana powłoka, pozbawiona warunków atmosferycznych, wykazuje pierwsze pęknięcie przy sile około 22 mN. Przy wartościach bliższych 5 mN jasne jest, że siedmioletnie okrążenie spowodowało degradację farby.

Kompensacja oryginalnego profilu pozwala uzyskać skorygowaną głębokość podczas zarysowania, a także zmierzyć głębokość resztkową po zarysowaniu. Daje to dodatkowe informacje na temat plastycznego i elastycznego zachowania powłoki pod rosnącym obciążeniem. Zarówno pęknięcia, jak i informacje o odkształceniach mogą być bardzo przydatne przy ulepszaniu twardej powłoki. Bardzo małe odchylenia standardowe pokazują również powtarzalność techniki urządzenia, co może pomóc producentom poprawić jakość ich twardej powłoki/farby i zbadać wpływ warunków atmosferycznych.

Masz podobną aplikację?

Nano Scratch & Mar Testowanie farby na metalowym podłożu

Badanie odporności na zarysowania i zadrapania metodą Nano

farby na metalowym podłożu

Przygotowane przez

SUSANA CABELLO

WPROWADZENIE

Farba z twardą powłoką lub bez jest jedną z najczęściej używanych powłok. Widzimy je na samochodach, ścianach, urządzeniach i praktycznie wszystkim, co wymaga jakiejś powłoki ochronnej lub po prostu w celach estetycznych. Farby przeznaczone do ochrony podłoża często zawierają substancje chemiczne, które zapobiegają zapaleniu się farby lub po prostu zapobiegają utracie koloru lub pękaniu. Często farby używane do celów estetycznych są dostępne w różnych kolorach, ale niekoniecznie muszą być przeznaczone do ochrony podłoża lub długiej żywotności.

Niemniej jednak każda farba ulega z czasem pewnym wpływom atmosferycznym. Warunki atmosferyczne na farbie mogą często zmieniać jej właściwości w stosunku do zamierzonych przez producentów. Może szybciej odpryskiwać, łuszczyć się pod wpływem ciepła, tracić kolor lub pękać. Różne zmiany właściwości farby w czasie są powodem, dla którego producenci oferują tak szeroki wybór. Farby są dostosowane do różnych wymagań poszczególnych klientów.

ZNACZENIE TESTÓW NANOZARYSOWAŃ DLA KONTROLI JAKOŚCI

Głównym zmartwieniem producentów farb jest odporność ich produktów na pękanie. Gdy farba zaczyna pękać, nie chroni podłoża, na które została nałożona, a tym samym nie zadowala klienta. Na przykład, jeśli gałąź uderzy w bok samochodu i natychmiast po tym, jak farba zacznie odpryskiwać, producenci farby stracą biznes z powodu niskiej jakości farby. Jakość farby jest bardzo ważna, ponieważ jeśli metal pod farbą zostanie odsłonięty, może zacząć rdzewieć lub korodować z powodu nowej ekspozycji.

Takie powody mają zastosowanie do kilku innych dziedzin, takich jak artykuły gospodarstwa domowego i biurowe oraz elektronika, zabawki, narzędzia badawcze i inne. Chociaż farba może być odporna na pękanie, gdy po raz pierwszy nakłada się ją na powłoki metalowe, jej właściwości mogą ulec zmianie w miarę upływu czasu, gdy na próbce wystąpią pewne warunki atmosferyczne. Dlatego bardzo ważne jest, aby próbki farby były testowane w stanie zwietrzałym. Chociaż pękanie pod dużym obciążeniem może być nieuniknione, producent musi przewidzieć, jak słabe mogą być zmiany w czasie i jak głębokie muszą być rysy, aby zapewnić swoim konsumentom najlepsze możliwe produkty.

CEL POMIARU

Musimy symulować proces zarysowania w kontrolowany i monitorowany sposób, aby obserwować efekty zachowania próbki. W tym zastosowaniu tester mechaniczny NANOVEA PB1000 w trybie testowania nanozarysowań jest używany do pomiaru obciążenia wymaganego do spowodowania uszkodzenia około 7-letniej próbki farby o grubości 30-50 μm na metalowym podłożu.

Do zarysowania powłoki użyto trzpienia pomiarowego z końcówką diamentową o średnicy 2 μm przy progresywnym obciążeniu w zakresie od 0,015 mN do 20,00 mN. Wykonaliśmy skanowanie farby przed i po obciążeniu 0,2 mN w celu określenia wartości rzeczywistej głębokości zarysowania. Rzeczywista głębokość analizuje odkształcenie plastyczne i sprężyste próbki podczas testowania; podczas gdy skanowanie po analizuje tylko odkształcenie plastyczne zadrapania. Punkt, w którym powłoka ulega uszkodzeniu w wyniku pęknięcia, jest przyjmowany jako punkt uszkodzenia. Użyliśmy ASTMD7187 jako przewodnika do określenia naszych parametrów testowych.

Możemy stwierdzić, że użycie zwietrzałej próbki, a zatem testowanie próbki farby w jej słabszym stadium, dało nam niższe punkty awarii.

Na tej próbce przeprowadzono pięć testów w celu

określić dokładne obciążenia krytyczne.

NANOVEA

PB1000

PARAMETRY BADANIA

następujący ASTM D7027

Powierzchnia wzorca chropowatości została zeskanowana za pomocą urządzenia NANOVEA ST400 wyposażonego w szybki czujnik, który generuje jasną linię 192 punktów, jak pokazano na RYSUNKU 1. Te 192 punkty skanują powierzchnię próbki w tym samym czasie, co prowadzi do znacznego zwiększenia prędkości skanowania.

TYP OBCIĄŻENIA	Postępowe
OBCIĄŻENIE POCZĄTKOWE	0,015 mN
OBCIĄŻENIE KOŃCOWE	20 mN
PRĘDKOŚĆ ZAŁADUNKU	20 mN/min
DŁUGOŚĆ SKRATKI	1,6 mm
PRĘDKOŚĆ SKRATANIA, dx/dt	1,601 mm/min
ŁADOWANIE PRZED SKANOWANIEM	0,2 mN
ŁADOWANIE PO SKANOWANIU	0,2 mN

typ wgłębnika

Stożkowa

Stożek diamentowy 90

Promień końcówki 2 µm

WYNIKI

W tej sekcji przedstawiono dane zebrane na temat awarii podczas testu zarysowania. W pierwszej części opisano awarie zaobserwowane podczas zarysowania i zdefiniowano zgłoszone obciążenia krytyczne. Kolejna część zawiera tabelę podsumowującą obciążenia krytyczne dla wszystkich próbek oraz reprezentację graficzną. Ostatnia część przedstawia szczegółowe wyniki dla każdej próbki: obciążenia krytyczne dla każdej rysy, mikrografy każdego uszkodzenia i wykres testu.

ZAOBSERWOWANE AWARIE I DEFINICJA OBCIĄŻEŃ KRYTYCZNYCH

KRYTYCZNA AWARIA:

SZKODA POCZĄTKOWA

Jest to pierwszy punkt, w którym uszkodzenie jest obserwowane wzdłuż ścieżki zarysowania.

KRYTYCZNA AWARIA:

CAŁKOWITE USZKODZENIE

W tym momencie uszkodzenia są bardziej znaczące, gdzie farba odpryskuje i pęka wzdłuż śladu zarysowania.

SZCZEGÓŁOWE WYNIKI

* Wartości uszkodzeń w punkcie pęknięcia podłoża.

KRYTYCZNE OBCIĄŻENIA
SCRATCH	USZKODZENIE WSTĘPNE [mN]	USZKODZENIE CAŁKOWITE [µm]
1	14.513	4.932
2	3.895	4.838
3	3.917	4.930

ŚREDNIA	3.988	4.900
STD DEV	0.143	0.054

RYSUNEK 2: Mikrografia pełnej rysy (powiększenie 1000x).

RYSUNEK 3: Mikrograf początkowego uszkodzenia (powiększenie 1000x).

RYSUNEK 4: Mikrograf całkowitego uszkodzenia (powiększenie 1000x).

RYSUNEK 5: Siła tarcia i współczynnik tarcia.

RYSUNEK 6: Profil powierzchni.

RYSUNEK 7: Głębokość rzeczywista i głębokość resztkowa.

PODSUMOWANIE

NANOVEA Tester mechaniczny w Nano Scratch Tester umożliwia symulację wielu rzeczywistych uszkodzeń powłok malarskich i twardych powłok. Stosując rosnące obciążenia w kontrolowany i ściśle monitorowany sposób, urządzenie pozwala określić, przy jakim obciążeniu występują awarie. Można to następnie wykorzystać jako sposób na określenie ilościowych wartości odporności na zarysowania. Wiadomo, że testowana powłoka, bez czynników atmosferycznych, ma pierwsze pęknięcie przy około 22 mN. Przy wartościach zbliżonych do 5 mN jasne jest, że 7-letnie docieranie spowodowało degradację farby.

Kompensacja oryginalnego profilu pozwala uzyskać skorygowaną głębokość podczas zarysowania i zmierzyć głębokość resztkową po zarysowaniu. Daje to dodatkowe informacje na temat plastycznego i elastycznego zachowania powłoki pod rosnącym obciążeniem. Zarówno pęknięcia, jak i informacje o odkształceniach mogą być bardzo przydatne przy ulepszaniu twardej powłoki. Bardzo małe odchylenia standardowe pokazują również powtarzalność techniki instrumentu, co może pomóc producentom poprawić jakość ich twardej powłoki/farby i zbadać wpływ warunków atmosferycznych.

Masz podobną aplikację?

Twardość na zarysowania w wysokiej temperaturze przy użyciu tribometru

WYSOKA TEMPERATURA ODPORNOŚĆ NA ZARYSOWANIA

PRZY UŻYCIU TRYBOMETRU

Przygotowane przez

DUANJIE, PhD

WPROWADZENIE

Twardość mierzy odporność materiałów na odkształcenia trwałe lub plastyczne. Opracowany przez niemieckiego mineraloga Friedricha Mohsa w 1820 roku, test twardości zarysowania określa twardość materiału na zarysowania i ścieranie spowodowane tarciem o ostry przedmiot.¹. Skala Mohsa jest indeksem porównawczym, a nie skalą liniową, dlatego opracowano bardziej dokładny i jakościowy pomiar twardości zarysowania, opisany w normie ASTM G171-03². Mierzy średnią szerokość rysy utworzonej przez diamentowy rysik i oblicza liczbę twardości rysy (HSP).

ZNACZENIE POMIARU TWARDOŚCI ZARYSOWANIA W WYSOKICH TEMPERATURACH

Materiały są wybierane na podstawie wymagań użytkowych. W przypadku zastosowań związanych ze znacznymi zmianami temperatury i gradientami termicznymi, kluczowe jest zbadanie właściwości mechanicznych materiałów w wysokich temperaturach, aby mieć pełną świadomość ograniczeń mechanicznych. Materiały, zwłaszcza polimery, zwykle miękną w wysokich temperaturach. Wiele uszkodzeń mechanicznych jest spowodowanych odkształceniem pełzającym i zmęczeniem termicznym zachodzącym tylko w podwyższonych temperaturach. Dlatego też, aby zapewnić właściwy dobór materiałów do zastosowań w wysokich temperaturach, konieczne jest opracowanie wiarygodnej techniki pomiaru twardości w wysokich temperaturach.

CEL POMIARU

W tym badaniu trybometr NANOVEA T50 mierzy twardość zarysowania próbki teflonu w różnych temperaturach od temperatury pokojowej do 300°C. Możliwość wykonywania pomiarów twardości zarysowania w wysokiej temperaturze sprawia, że NANOVEA Tribometr wszechstronny system do tribologicznej i mechanicznej oceny materiałów do zastosowań wysokotemperaturowych.

NANOVEA

T50

WARUNKI BADANIA

Tribometr NANOVEA T50 Free Weight Standard został użyty do wykonania testów twardości zarysowania próbki teflonu w temperaturach od pokojowej (RT) do 300°C. Temperatura topnienia teflonu wynosi 326,8°C. Zastosowano stożkowy trzpień diamentowy o kącie wierzchołkowym 120° i promieniu końcówki 200 µm. Próbka teflonowa została zamocowana na obrotowym stoliku z próbkami w odległości 10 mm od środka stolika. Próbkę wygrzewano w piecu i badano w temperaturach RT, 50°C, 100°C, 150°C, 200°C, 250°C i 300°C.

PARAMETRY BADANIA

pomiaru twardości zarysowania w wysokiej temperaturze

NORMALNA SIŁA	2 N
PRĘDKOŚĆ PRZESUWANIA	1 mm/s
ODLEGŁOŚĆ PRZESUWU	8mm na temp.
ATMOSFERY	Air
TEMPERATURA	RT, 50°C, 100°C, 150°C, 200°C, 250°C, 300°C.

WYNIKI I DYSKUSJA

Profile śladu zarysowania próbki teflonowej w różnych temperaturach pokazano na RYSUNKU 1 w celu porównania twardości zarysowania w różnych podwyższonych temperaturach. Spiętrzenie materiału na krawędziach ścieżki zarysowania tworzy się, gdy trzpień porusza się ze stałym obciążeniem 2 N i zagłębia się w próbkę teflonową, wypychając i deformując materiał w ścieżce zarysowania na boki.

Ślady zarysowań były badane pod mikroskopem optycznym, jak pokazano na RYSUNKU 2. Zmierzone szerokości śladów zarysowania i obliczone liczby twardości zarysowania (HSP) są podsumowane i porównane na RYSUNKU 3. Szerokość śladu zarysowania zmierzona przez mikroskop jest zgodna z tą zmierzoną przy użyciu NANOVEA Profiler - próbka teflonowa wykazuje większą szerokość zarysowania w wyższych temperaturach. Szerokość śladu zarysowania wzrasta z 281 do 539 µm w miarę wzrostu temperatury z RT do 300oC, co skutkuje zmniejszeniem HSP z 65 do 18 MPa.

Twardość zarysowania w podwyższonej temperaturze może być mierzona z wysoką precyzją i powtarzalnością przy użyciu Tribometru NANOVEA T50. Stanowi to alternatywne rozwiązanie w stosunku do innych pomiarów twardości i czyni Tribometry NANOVEA bardziej kompletnym systemem do kompleksowej oceny tribo-mechanicznej w wysokich temperaturach.

RYSUNEK 1: Profile śladów zarysowania po badaniach twardości zarysowania w różnych temperaturach.

RYSUNEK 2: Ślady zarysowań pod mikroskopem po pomiarach w różnych temperaturach.

RYSUNEK 3: Ewolucja szerokości śladu zarysowania i twardości zarysowania w zależności od temperatury.

PODSUMOWANIE

W niniejszej pracy zaprezentowano sposób pomiaru twardości zarysowania przez trybometr NANOVEA w podwyższonej temperaturze zgodnie z normą ASTM G171-03. Badanie twardości zarysowania przy stałym obciążeniu stanowi alternatywne, proste rozwiązanie umożliwiające porównanie twardości materiałów przy użyciu tribometru. Możliwość wykonania pomiarów twardości zarysowania w podwyższonej temperaturze czyni Tribometr NANOVEA idealnym narzędziem do oceny właściwości tribo-mechanicznych materiałów w wysokiej temperaturze.

Tribometr NANOVEA oferuje również precyzyjne i powtarzalne badania zużycia i tarcia z wykorzystaniem trybów obrotowych i liniowych zgodnych z normami ISO i ASTM, z opcjonalnymi modułami do badań zużycia w wysokich temperaturach, smarowania i tribo-korozji dostępnymi w jednym, wstępnie zintegrowanym systemie. Opcjonalny profiler bezdotykowy 3D jest dostępny do wysokorozdzielczego obrazowania 3D śladów zużycia, jako dodatek do innych pomiarów powierzchni, takich jak chropowatość.

1 Wredenberg, Fredrik; PL Larsson (2009). "Badanie zarysowania metali i polimerów: Experiments and numerics". Wear 266 (1-2): 76
2 ASTM G171-03 (2009), "Standardowa metoda badania twardości materiałów na zarysowania przy użyciu diamentowego rysika".

Masz podobną aplikację?

Ocena zarysowania i zużycia powłok przemysłowych

POWŁOKA PRZEMYSŁOWA

OCENA ZARYSOWANIA I ZUŻYCIA PRZY UŻYCIU TRYBOMETRU

Przygotowane przez

DUANJIE LI, PhD & ANDREA HERRMANN

WPROWADZENIE

Farba akrylowa uretanowa jest rodzajem szybkoschnącej powłoki ochronnej szeroko stosowanej w różnych zastosowaniach przemysłowych, takich jak farba podłogowa, farba samochodowa i inne. Stosowana jako farba podłogowa może służyć w miejscach o dużym natężeniu ruchu pieszych i gumowych kółek, takich jak chodniki, krawężniki i parkingi.

ZNACZENIE BADANIA ZARYSOWANIA I ZUŻYCIA DLA KONTROLI JAKOŚCI

Tradycyjnie, zgodnie z normą ASTM D4060, do oceny odporności na ścieranie akrylowo-uretanowych farb podłogowych przeprowadzane są próby ścierania Tabera. Jednakże, jak wspomniano w normie, "W przypadku niektórych materiałów, próby ścierania z użyciem ściernicy Tabera mogą podlegać zmianom wynikającym ze zmian właściwości ściernych ściernicy podczas badania "1 . Ponadto, w testach ścieralności Tabera, odporność na ścieranie jest obliczana jako utrata wagi przy określonej liczbie cykli ścierania. Jednak akrylowe uretanowe farby podłogowe mają zalecaną grubość suchej powłoki 37,5-50 μm2.

Agresywny proces ścierania przez Taber Abraser może szybko zużyć powłokę akrylowo-uretanową i spowodować utratę masy do podłoża, co prowadzi do znacznych błędów w obliczeniach utraty masy farby. Implant cząstek ściernych w farbie podczas testu ścierania również przyczynia się do błędów. Dlatego dobrze kontrolowany, wymierny i wiarygodny pomiar ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia powtarzalnej oceny zużycia farby. Ponadto test zdrapki umożliwia użytkownikom wykrywanie przedwczesnych uszkodzeń kleju/kleju w rzeczywistych zastosowaniach.

CEL POMIARU

W tym badaniu pokazujemy, że NANOVEA Tribometry oraz Testery mechaniczne są idealne do oceny i kontroli jakości powłok przemysłowych.

Proces zużycia akrylowych uretanowych farb podłogowych z różnymi warstwami wierzchnimi jest symulowany w sposób kontrolowany i monitorowany przy użyciu Tribometru NANOVEA. Testy mikro zarysowań są stosowane do pomiaru obciążenia wymaganego do spowodowania uszkodzenia spoistości lub przyczepności farby.

NANOVEA T100

Kompaktowy Tribometr Pneumatyczny

NANOVEA PB1000

Tester mechaniczny z dużą platformą

PROCEDURA TESTOWA

W niniejszym badaniu oceniono cztery dostępne na rynku akrylowe powłoki podłogowe na bazie wody, które mają ten sam podkład (basecoat) i różne powłoki wierzchnie o tej samej formule z niewielką zmianą w mieszankach dodatków w celu zwiększenia trwałości. Te cztery powłoki są oznaczone jako Próbki A, B, C i D.

TEST ZUŻYCIA

Trybometr NANOVEA został zastosowany do oceny zachowania tribologicznego, np. współczynnika tarcia, COF i odporności na zużycie. Na badane farby nałożono końcówkę kulistą SS440 (średnica 6 mm, klasa 100). COF rejestrowano na miejscu. Szybkość zużycia K obliczono za pomocą wzoru K=V/(F×s)=A/(F×n), gdzie V to objętość zużycia, F to normalne obciążenie, s to droga poślizgu, A to pole przekroju poprzecznego toru zużycia, n jest liczbą obrotów. W badaniu NANOVEA oceniono chropowatość powierzchni i profile śladów zużycia Profilometr optyczny, a morfologię śladów zużycia zbadano za pomocą mikroskopu optycznego.

PARAMETRY BADANIA ZUŻYCIA

NORMALNA SIŁA

20 N

PRĘDKOŚĆ

15 m/min

CZAS TRWANIA BADANIA

100, 150, 300 i 800 cykli

TEST NA ZADRAŻNIENIA

Za pomocą testera mechanicznego NANOVEA wyposażonego w trzpień diamentowy Rockwell C (promień 200 μm) przeprowadzono testy zarysowania próbek farby przy obciążeniu progresywnym z wykorzystaniem trybu Micro Scratch Tester. Zastosowano dwa obciążenia końcowe: 5 N obciążenie końcowe do badania delaminacji farby od podkładu oraz 35 N do badania delaminacji podkładu od podłoży metalowych. W celu zapewnienia powtarzalności wyników, na każdej próbce powtórzono trzy próby w tych samych warunkach badawczych.

Panoramiczne obrazy całych długości zarysowań były generowane automatycznie, a ich krytyczne miejsca uszkodzenia były skorelowane z zastosowanymi obciążeniami przez oprogramowanie systemu. Ta funkcja oprogramowania ułatwia użytkownikom przeprowadzenie analizy na śladach zarysowań w dowolnym momencie, zamiast konieczności określania obciążenia krytycznego pod mikroskopem bezpośrednio po przeprowadzeniu testów zarysowania.

PARAMETRY BADANIA ZARYSOWANIA

TYP OBCIĄŻENIA	Postępowe
OBCIĄŻENIE POCZĄTKOWE	0,01 mN
OBCIĄŻENIE KOŃCOWE	5 N / 35 N
PRĘDKOŚĆ ZAŁADUNKU	10 / 70 N/min
DŁUGOŚĆ SKRATKI	3 mm
PRĘDKOŚĆ SKRATOWANIA, dx/dt	6,0 mm/min
GEOMETRIA WGŁĘBNIKA	Stożek 120º
MATERIAŁ DO INDENTERÓW (końcówka)	Diament
PROMIEŃ KOŃCÓWKI WGŁĘBNIKA	200 μm

WYNIKI BADAŃ ZUŻYCIA

Na każdej próbce przeprowadzono cztery testy zużycia pin-on-disk przy różnej liczbie obrotów (100, 150, 300 i 800 cykli) w celu monitorowania ewolucji zużycia. Morfologia powierzchni próbek została zmierzona za pomocą urządzenia NANOVEA 3D Non-Contact Profiler w celu określenia chropowatości powierzchni przed przeprowadzeniem testów zużycia. Wszystkie próbki miały porównywalną chropowatość powierzchni około 1 μm, jak pokazano na RYS. 1. COF był rejestrowany in situ podczas testów zużycia, jak pokazano na RYSUNKU 2. RYSUNEK 4 przedstawia ewolucję śladów zużycia po 100, 150, 300 i 800 cyklach, a RYSUNEK 3 podsumował średnią szybkość zużycia różnych próbek na różnych etapach procesu zużycia.

W porównaniu z wartością COF wynoszącą ~0,07 dla pozostałych trzech próbek, próbka A wykazuje znacznie wyższy współczynnik COF wynoszący ~0,15 na początku, który stopniowo wzrasta i staje się stabilny na poziomie ~0,3 po 300 cyklach zużycia. Tak wysoki COF przyspiesza proces zużycia i powoduje powstanie znacznej ilości odłamków lakieru, jak pokazano na RYS. 4 - warstwa wierzchnia próbki A zaczęła być usuwana w ciągu pierwszych 100 obrotów. Jak pokazano na RYSUNKU 3, próbka A wykazuje najwyższy wskaźnik zużycia ~5 μm2/N w pierwszych 300 cyklach, który nieznacznie spada do ~3,5 μm2/N ze względu na lepszą odporność na zużycie metalowego podłoża. Warstwa wierzchnia próbki C zaczyna się psuć po 150 cyklach zużycia, jak pokazano na RYSUNKU 4, na co wskazuje również wzrost COF na RYSUNKU 2.

Dla porównania, próbka B i próbka D wykazują ulepszone właściwości tribologiczne. Próbka B utrzymuje niski współczynnik COF przez cały czas trwania testu - współczynnik COF nieznacznie wzrasta z ~0,05 do ~0,1. Taki efekt smarowania znacznie zwiększa jej odporność na zużycie - po 800 cyklach zużycia warstwa wierzchnia nadal zapewnia doskonałą ochronę podkładu znajdującego się pod nią. Najniższy średni współczynnik zużycia wynoszący tylko ~0,77 μm2/N został zmierzony dla próbki B po 800 cyklach. Warstwa wierzchnia próbki D zaczyna się rozwarstwiać po 375 cyklach, co odzwierciedla gwałtowny wzrost COF na RYS. 2. Średnia szybkość zużycia próbki D wynosi ~1,1 μm2/N przy 800 cyklach.

W porównaniu do konwencjonalnych pomiarów ścieralności Tabera, Tribometr NANOVEA zapewnia dobrze kontrolowane, kwantyfikowalne i wiarygodne oceny zużycia, które zapewniają powtarzalną ocenę i kontrolę jakości komercyjnych farb podłogowych/automatycznych. Co więcej, zdolność do pomiarów in situ COF pozwala użytkownikom skorelować różne etapy procesu zużycia z ewolucją COF, co jest krytyczne dla poprawy fundamentalnego zrozumienia mechanizmu zużycia i charakterystyki trybologicznej różnych powłok lakierniczych.

RYSUNEK 1: Morfologia 3D i chropowatość próbek farby.

RYSUNEK 2: COF podczas testów pin-on-disk.

RYSUNEK 3: Ewolucja szybkości zużycia różnych farb.

RYSUNEK 4: Ewolucja śladów zużycia podczas testów pin-on-disk.

WYNIKI TESTU ZARYSOWANIA

RYSUNEK 5 przedstawia wykres siły normalnej, siły tarcia i głębokości rzeczywistej w funkcji długości zarysowania dla próbki A jako przykładu. Opcjonalny moduł emisji akustycznej może być zainstalowany, aby zapewnić więcej informacji. W miarę liniowego wzrostu obciążenia normalnego, końcówka wgłębnika stopniowo zagłębia się w badaną próbkę, co odzwierciedla stopniowy wzrost głębokości rzeczywistej. Zmiana nachylenia krzywych siły tarcia i głębokości rzeczywistej może być wykorzystana jako jedna z przesłanek świadczących o tym, że zaczynają się pojawiać uszkodzenia powłoki.

RYSUNEK 5: Siła normalna, siła tarcia i głębokość rzeczywista jako funkcja długości zarysowania dla próby zarysowania próbki A przy maksymalnym obciążeniu 5 N.

RYSUNEK 6 i RYSUNEK 7 pokazują pełne zarysowania wszystkich czterech badanych próbek farby przy maksymalnym obciążeniu odpowiednio 5 N i 35 N. Próbka D wymagała większego obciążenia 50 N do rozwarstwienia podkładu. Testy zarysowania przy obciążeniu końcowym 5 N (RYSUNEK 6) oceniają uszkodzenie kohezyjne/adhezyjne farby nawierzchniowej, natomiast testy przy obciążeniu 35 N (RYSUNEK 7) oceniają delaminację podkładu. Strzałki na mikrografach wskazują punkt, w którym powłoka wierzchnia lub podkład zaczynają się całkowicie odrywać od podkładu lub podłoża. Obciążenie w tym punkcie, tzw. obciążenie krytyczne, Lc, służy do porównania właściwości kohezyjnych lub adhezyjnych farby, co zestawiono w tabeli 1.

Widać, że próbka farby D ma najlepszą przyczepność międzyfazową - wykazując najwyższe wartości Lc 4,04 N przy rozwarstwieniu farby i 36,61 N przy rozwarstwieniu podkładu. Próbka B wykazuje drugą najlepszą odporność na zarysowania. Z analizy zarysowań wynika, że optymalizacja formuły farby jest krytyczna dla zachowania mechanicznego, a dokładniej odporności na zarysowania i właściwości adhezyjnych akrylowych farb podłogowych.

Tabela 1: Podsumowanie obciążeń krytycznych.

RYSUNEK 6: Mikrografy pełnej rysy przy maksymalnym obciążeniu 5 N.

RYSUNEK 7: Mikrografy pełnej rysy przy maksymalnym obciążeniu 35 N.

PODSUMOWANIE

W porównaniu z konwencjonalnymi pomiarami ścieralności Tabera, Tester Mechaniczny NANOVEA oraz Tribometr są doskonałymi narzędziami do oceny i kontroli jakości komercyjnych powłok podłogowych i samochodowych. Tester mechaniczny NANOVEA w trybie zarysowania może wykryć problemy z przyczepnością/spójnością w systemie powłokowym. Tribometr NANOVEA zapewnia dobrze kontrolowaną, kwantyfikowalną i powtarzalną analizę tribologiczną odporności na ścieranie i współczynnika tarcia farb.

Na podstawie kompleksowej analizy tribologicznej i mechanicznej wodorozcieńczalnych akrylowych powłok podłogowych testowanych w tym badaniu, wykazaliśmy, że próbka B posiada najniższy współczynnik COF i wskaźnik zużycia oraz drugą najlepszą odporność na zarysowania, podczas gdy próbka D wykazuje najlepszą odporność na zarysowania i drugą najlepszą odporność na zużycie. Ocena ta pozwala nam ocenić i wybrać najlepszego kandydata, który będzie odpowiadał potrzebom w różnych środowiskach zastosowania.

Moduły Nano i Micro testera mechanicznego NANOVEA zawierają tryby testowania wgniecenia, zarysowania i zużycia zgodne z normami ISO i ASTM, zapewniając najszerszy zakres badań dostępnych do oceny farby w jednym module. Tribometr NANOVEA oferuje precyzyjne i powtarzalne badania zużycia i tarcia z wykorzystaniem trybów obrotowych i liniowych zgodnych z normami ISO i ASTM, z opcjonalnymi modułami do badań zużycia w wysokiej temperaturze, smarowania i tribo-korozji dostępnymi w jednym, wstępnie zintegrowanym systemie. Niezrównana oferta NANOVEA jest idealnym rozwiązaniem do wyznaczania pełnego zakresu właściwości mechanicznych/tribologicznych cienkich lub grubych, miękkich lub twardych powłok, filmów i podłoży, w tym twardości, modułu Younga, odporności na pękanie, przyczepności, odporności na zużycie i wielu innych. Opcjonalnie dostępne są bezkontaktowe profilery optyczne NANOVEA do obrazowania w wysokiej rozdzielczości 3D rys i śladów zużycia, jako uzupełnienie innych pomiarów powierzchni, takich jak chropowatość.

TERAZ POROZMAWIAJMY O TWOJEJ APLIKACJI

Pomiar twardości zarysowania przy użyciu testera mechanicznego

POMIAR TWARDOŚCI ZARYSOWANIA

PRZY UŻYCIU TESTERA MECHANICZNEGO

Przygotowane przez

DUANJIE LI, PhD

WPROWADZENIE

Ogólnie rzecz biorąc, testy twardości mierzą odporność materiałów na odkształcenia trwałe lub plastyczne. Istnieją trzy rodzaje pomiarów twardości: twardość zarysowania, twardość wgłębna i twardość odbicia. Test twardości zarysowania mierzy odporność materiału na zarysowanie i ścieranie w wyniku tarcia o ostry przedmiot1. Została ona opracowana przez niemieckiego mineraloga Friedricha Mohsa w 1820 roku i nadal jest powszechnie stosowana do oceny właściwości fizycznych minerałów2. Ta metoda badawcza ma również zastosowanie do metali, ceramiki, polimerów i powierzchni powlekanych.

Podczas pomiaru twardości zarysowania, trzpień diamentowy o określonej geometrii zarysowuje powierzchnię materiału wzdłuż liniowej ścieżki pod wpływem stałej siły normalnej ze stałą prędkością. Średnia szerokość rysy jest mierzona i używana do obliczenia liczby twardości zarysowania (HSP). Technika ta zapewnia proste rozwiązanie do skalowania twardości różnych materiałów.

CEL POMIARU

W badaniach zastosowano tester mechaniczny NANOVEA PB1000 do pomiaru twardości zarysowania różnych metali zgodnie z normą ASTM G171-03.

Jednocześnie badanie to prezentuje możliwości NANOVEA Tester mechaniczny w wykonywaniu pomiarów twardości zarysowania z dużą precyzją i powtarzalnością.

NANOVEA

PB1000

WARUNKI BADANIA

Tester mechaniczny NANOVEA PB1000 przeprowadził testy twardości zarysowania na trzech polerowanych metalach (Cu110, Al6061 i SS304). Zastosowano stożkowy trzpień diamentowy o kącie wierzchołkowym 120° i promieniu końcówki 200 µm. Każda próbka została zarysowana trzykrotnie z tymi samymi parametrami testowymi, aby zapewnić powtarzalność wyników. Parametry testu podsumowano poniżej. Skanowanie profilu przy niskim obciążeniu normalnym wynoszącym 10 mN przeprowadzono przed i po zadrapaniu. test zdrapki do pomiaru zmiany profilu powierzchni rysy.

PARAMETRY BADANIA

NORMALNA SIŁA

10 N

TEMPERATURA

24°C (RT)

PRĘDKOŚĆ PRZESUWANIA

20 mm/min

ODLEGŁOŚĆ PRZESUWU

10 mm

ATMOSFERY

Air

WYNIKI I DYSKUSJA

Obrazy śladów zarysowań trzech metali (Cu110, Al6061 i SS304) po przeprowadzonych badaniach przedstawiono na RYSUNKU 1 w celu porównania twardości zarysowań różnych materiałów. Funkcja mapowania oprogramowania NANOVEA Mechanical została wykorzystana do stworzenia trzech równoległych zarysowań testowanych w tych samych warunkach w zautomatyzowanym protokole. Zmierzona szerokość śladu zarysowania i obliczona liczba twardości zarysowania (HSP) zostały podsumowane i porównane w TABELI 1. Metale wykazują różne szerokości śladów zużycia, wynoszące 174, 220 i 89 µm odpowiednio dla Al6061, Cu110 i SS304, co skutkuje obliczoną liczbą HSP wynoszącą 0,84, 0,52 i 3,2 GPa.

Oprócz twardości zarysowania obliczonej na podstawie szerokości śladu zarysowania, podczas badania twardości zarysowania rejestrowano in situ ewolucję współczynnika tarcia (COF), głębokości rzeczywistej i emisji akustycznej. Głębokość rzeczywista to różnica pomiędzy głębokością penetracji trzpienia podczas testu zarysowania a profilem powierzchni zmierzonym podczas skanowania wstępnego. Przykładowe wartości COF, prawdziwej głębokości i emisji akustycznej dla Cu110 przedstawiono na RYSUNKU 2. Takie informacje zapewniają wgląd w uszkodzenia mechaniczne zachodzące podczas zarysowania, umożliwiając użytkownikom wykrywanie wad mechanicznych i dalsze badanie zachowania zarysowania badanego materiału.

Testy twardości zarysowania mogą być zakończone w ciągu kilku minut z wysoką precyzją i powtarzalnością. W porównaniu do konwencjonalnych procedur wgłębnych, test twardości zarysowania w tym badaniu zapewnia alternatywne rozwiązanie dla pomiarów twardości, co jest przydatne w kontroli jakości i rozwoju nowych materiałów.

Al6061

Cu110

SS304

RYSUNEK 1: Obraz mikroskopowy śladów zarysowania po badaniu (powiększenie 100x).

	*Szerokość śladu zarysowania (μm)*	*HS_p (GPa)*
Al6061	174±11	0.84
Cu110	220±1	0.52
SS304	89±5	3.20

TABELA 1: Zestawienie szerokości śladu zarysowania i numeru twardości zarysowania.

RYSUNEK 2: Ewolucja współczynnika tarcia, głębokości rzeczywistej i emisji akustycznej podczas badania twardości zarysowania na Cu110.

PODSUMOWANIE

W niniejszej pracy zaprezentowano możliwości urządzenia NANOVEA Mechanical Tester w zakresie prowadzenia badań twardości zarysowania zgodnie z wymaganiami normy ASTM G171-03. Poza badaniem przyczepności powłoki i odporności na zarysowanie, próba zarysowania przy stałym obciążeniu stanowi alternatywne, proste rozwiązanie umożliwiające porównanie twardości materiałów. W przeciwieństwie do konwencjonalnych urządzeń do badania twardości zarysowania, Mechaniczne Testery NANOVEA oferują opcjonalne moduły do monitorowania ewolucji współczynnika tarcia, emisji akustycznej oraz głębokości rzeczywistej w warunkach in situ.

Moduły Nano i Micro Testera Mechanicznego NANOVEA zawierają tryby pracy zgodne z normami ISO i ASTM - wgłębnik, zarysowanie i ścieranie, zapewniając najszerszy i najbardziej przyjazny dla użytkownika zakres badań dostępny w jednym systemie. Niezrównany zakres badań NANOVEA stanowi idealne rozwiązanie do wyznaczania pełnego zakresu właściwości mechanicznych cienkich lub grubych, miękkich lub twardych powłok, filmów i podłoży, w tym twardości, modułu Younga, odporności na pękanie, przyczepności, odporności na ścieranie i wielu innych.

Masz podobną aplikację?

Test na zarysowanie powłoki z azotku tytanu

BADANIE ZARYSOWANIA POWŁOKI Z AZOTKU TYTANU

INSPEKCJA KONTROLI JAKOŚCI

Przygotowane przez

DUANJIE LI, PhD

WPROWADZENIE

Połączenie wysokiej twardości, doskonałej odporności na zużycie, odporności na korozję i obojętności sprawia, że azotek tytanu (TiN) jest idealną powłoką ochronną dla elementów metalowych w różnych branżach. Na przykład, zachowanie krawędzi i odporność na korozję powłoki TiN może znacznie zwiększyć wydajność pracy i wydłużyć żywotność narzędzi maszynowych, takich jak żyletki, noże do metalu, formy wtryskowe i piły. Jego wysoka twardość, obojętność i nietoksyczność sprawiają, że TiN jest doskonałym kandydatem do zastosowań w urządzeniach medycznych, w tym implantach i instrumentach chirurgicznych.

WAŻNOŚĆ TESTOWANIA POWŁOKI TiN POD KĄTEM ZADRAśNIENIA

Naprężenia szczątkowe w ochronnych powłokach PVD/CVD odgrywają krytyczną rolę w wydajności i mechanicznej integralności powlekanego elementu. Naprężenia szczątkowe pochodzą z kilku głównych źródeł, w tym naprężeń wzrostowych, gradientów termicznych, ograniczeń geometrycznych i naprężeń eksploatacyjnych¹. Niedopasowanie rozszerzalności cieplnej pomiędzy powłoką a podłożem powstałe podczas osadzania powłoki w podwyższonej temperaturze prowadzi do dużych termicznych naprężeń resztkowych. Ponadto, narzędzia z powłoką TiN są często używane w warunkach bardzo dużych naprężeń skupionych, np. wiertła i łożyska. Krytyczne znaczenie ma opracowanie niezawodnego procesu kontroli jakości w celu ilościowej kontroli wytrzymałości kohezyjnej i adhezyjnej ochronnych powłok funkcjonalnych.

[1] V. Teixeira, Vacuum 64 (2002) 393-399.

CEL POMIARU

W tym badaniu wykazaliśmy, że NANOVEA Testery mechaniczne w trybie zarysowania idealnie nadają się do oceny wytrzymałości kohezyjnej/adhezyjnej powłok ochronnych TiN w sposób kontrolowany i ilościowy.

NANOVEA

PB1000

WARUNKI BADANIA

Do wykonania powłoki wykorzystano tester mechaniczny NANOVEA PB1000. testy zarysowań na trzech powłokach TiN przy użyciu tych samych parametrów testowych, jak podsumowano poniżej:

TRYB ŁADOWANIA: Progresywny liniowy

OBCIĄŻENIE POCZĄTKOWE

0.02 N

OBCIĄŻENIE KOŃCOWE

10 N

PRĘDKOŚĆ ZAŁADUNKU

20 N/min

DŁUGOŚĆ SKRATKI

5 mm

TYP INDENTER

Sphero-Conical

Diament, promień 20 μm

WYNIKI I DYSKUSJA

RYSUNEK 1 przedstawia zarejestrowaną ewolucję głębokości penetracji, współczynnika tarcia (COF) oraz emisji akustycznej podczas badania. Pełne ślady mikro zarysowań na próbkach TiN pokazano na RYSUNKU 2. Zachowanie się powłoki przy różnych obciążeniach krytycznych pokazano na RYSUNKU 3, gdzie obciążenie krytyczne Lc1 jest zdefiniowane jako obciążenie, przy którym pojawia się pierwszy ślad pęknięcia kohezyjnego w śladzie zarysowania, Lc2 jest obciążeniem, po którym następują powtarzające się uszkodzenia spallacyjne, a Lc3 jest obciążeniem, przy którym powłoka zostaje całkowicie usunięta z podłoża. Wartości obciążenia krytycznego (Lc) dla powłok TiN zestawiono na RYS. 4.

Ewolucja głębokości penetracji, COF i emisji akustycznej zapewnia wgląd w mechanizm zniszczenia powłoki na różnych etapach, które w tym badaniu reprezentowane są przez obciążenia krytyczne. Można zauważyć, że próbka A i próbka B wykazują porównywalne zachowanie podczas testu zarysowania. Trzpień stopniowo zagłębia się w próbkę na głębokość ~0,06 mm, a COF stopniowo wzrasta do ~0,3 w miarę liniowego wzrostu obciążenia normalnego na początku próby zarysowania powłoki. Po osiągnięciu Lc1 wynoszącego ~3,3 N pojawiają się pierwsze oznaki awarii odpryskowej. Jest to również odzwierciedlone w pierwszych dużych skokach na wykresie głębokości penetracji, COF i emisji akustycznej. Wraz ze wzrostem obciążenia do wartości Lc2 równej ~3,8 N następują dalsze fluktuacje głębokości penetracji, COF i emisji akustycznej. Można zaobserwować ciągłe uszkodzenia odpryskowe obecne po obu stronach ścieżki zarysowania. Przy Lc3, powłoka całkowicie rozwarstwia się od metalowego podłoża pod wpływem dużego nacisku wywieranego przez trzpień, pozostawiając podłoże odsłonięte i niechronione.

Dla porównania, próbka C wykazuje niższe obciążenia krytyczne na różnych etapach badania zarysowania powłoki, co jest również odzwierciedlone w ewolucji głębokości penetracji, współczynnika tarcia (COF) i emisji akustycznej podczas badania zarysowania powłoki. Próbka C posiada międzywarstwę adhezyjną o niższej twardości i wyższym naprężeniu na styku górnej powłoki TiN i metalowego podłoża w porównaniu z próbką A i próbką B.

Badanie to pokazuje, jak ważne jest właściwe podparcie podłoża i architektura powłoki dla jakości systemu powłokowego. Mocniejsza międzywarstwa może lepiej opierać się deformacji pod wpływem dużego obciążenia zewnętrznego i naprężeń koncentracyjnych, a tym samym zwiększać wytrzymałość kohezyjną i adhezyjną systemu powłoka/podłoże.

RYSUNEK 1: Ewolucja głębokości penetracji, COF i emisji akustycznej próbek TiN.

RYSUNEK 2: Pełny ślad zarysowania powłok TiN po testach.

RYSUNEK 3: Uszkodzenia powłok TiN przy różnych obciążeniach krytycznych, Lc.

RYSUNEK 4: Zestawienie wartości obciążenia krytycznego (Lc) dla powłok TiN.

PODSUMOWANIE

W tym badaniu pokazaliśmy, że NANOVEA PB1000 Mechanical Tester wykonuje wiarygodne i dokładne testy zarysowania na próbkach pokrytych TiN w sposób kontrolowany i ściśle monitorowany. Pomiary zarysowań pozwalają użytkownikom szybko zidentyfikować krytyczne obciążenie, przy którym występują typowe uszkodzenia powłok kohezyjnych i adhezyjnych. Nasze urządzenia są doskonałymi narzędziami kontroli jakości, które mogą ilościowo zbadać i porównać wewnętrzną jakość powłoki i integralność międzyfazową systemu powłoka/podłoże. Powłoka z odpowiednią warstwą pośrednią może wytrzymać duże odkształcenia pod wpływem dużego obciążenia zewnętrznego i naprężeń koncentracyjnych, a także zwiększyć wytrzymałość kohezyjną i adhezyjną systemu powłoka/podłoże.

Moduły Nano i Micro urządzenia NANOVEA Mechanical Tester zawierają tryby pracy zgodne z normami ISO i ASTM - wgłębianie, zarysowanie i ścieranie, zapewniając najszerszy i najbardziej przyjazny dla użytkownika zakres badań dostępny w jednym systemie. Niezrównana oferta NANOVEA stanowi idealne rozwiązanie do wyznaczania pełnego zakresu właściwości mechanicznych cienkich lub grubych, miękkich lub twardych powłok, filmów i podłoży, w tym twardości, modułu Younga, odporności na pękanie, przyczepności, odporności na ścieranie i wielu innych.

Masz podobną aplikację?

Strona 1 z 612 3 4 5 6

Produkty

Profilometry

PS50 - Advanced Compact

JR25 - Portable Compact

JR100 - Portable High Speed

ST400 - Modular Standard

ST500 - Modular Large Area

AFM Pro - Extended Range

In-Line QC - Roughness, Texture & Finish

Nanoindenters & Scratch Testers

CB500 - Advanced Compact

PB1000 - Advanced Large Platform

Systemy podciśnieniowe

Tribometry

T50 - Free Weight Benchtop

T200 - Pneumatic Compact

T2000 - Pneumatic High Load

T2000 MAX - High Torque Friction Tester

CR-8R - Ball Cratering Coating Thickness

Systemy podciśnieniowe

Usługi laboratoryjne

Analiza profilometrii bezkontaktowej

Próba wgniecenia i zarysowania

Badanie tarcia i zużycia

Topologia powierzchni i analiza chemiczna

Rozwiązania w zakresie badań

Profilometria

Szorstkość i wykończenie

Geometria i kształt

Płaskość i wypaczenia

Objętość i powierzchnia

Wysokość i grubość stopnia

Tekstura i ziarno

Badania mechaniczne

Wgłębianie | Twardość i sprężystość

Wgłębianie | Stress vs Strain

Wcięcie | Pełzanie i odprężenie

Wgniecenie | Utrata i przechowywanie

Wytrzymałość na wgniatanie | Wytrzymałość na złamanie

Wgniecenie | Granica plastyczności i zmęczenie

Wysoka temperatura

Wilgotność

Próżnia

Zarysowanie | Awaria kleju

Zarysowanie | Uszkodzenie spoiwa

Scratch | Scratch Hardness

Zarysowania | Zużycie wieloprzebiegowe

Tarcie | Współczynnik tarcia

Niska temperatura

Płyn

Badania tribologiczne

Linear

Rotacyjne

Blok na pierścieniu

Pierścień na pierścieniu

Test na zarysowania

Test tarcia hamulców

Wysoka temperatura

Niska temperatura

Korozja

Płyn

Wilgotność i gazy obojętne

Próżnia

Aplikacje

Przez przemysł

Bio & Biotechnologia

Materiały budowlane

Produkty konsumenckie

Urządzenia medyczne

Produkcja i obróbka metali

Ropa naftowa i kopalnie

Optyka

Farby i powłoki

Farmaceutyczny

Półprzewodniki i elektronika

Tekstylia, skóra i papier

Oprzyrządowanie i maszyny

Transport naziemny

Kosmos i lotnictwo

Wojsko i obrona