USA/GLOBALNE: +1-949-461-9292
EUROPA: +39-011-3052-794
pl_PL PL
pl_PL PL en_US EN es_MX ES de_DE DE fr_FR FR it_IT IT zh_CN ZH ja JA pt_BR PT tr_TR TR ko_KR KO ar AR
KONTAKT

Kategoria: Tribologia wysokotemperaturowa

 

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

DOWIEDZ SIĘ WIĘCEJ

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".

TERAZ POROZMAWIAJMY O TWOJEJ APLIKACJI

LIVE CHAT

Pomiar zużycia in situ w wysokiej temperaturze

POMIAR ZUŻYCIA IN SITU W WYSOKIEJ TEMPERATURZE

PRZY UŻYCIU TRYBOMETRU

POMIAR ZUŻYCIA W MIEJSCU Tribometr lotniczy

Przygotowane przez

Duanjie Li, PhD

WPROWADZENIE

Liniowy zmienny transformator różnicowy (LVDT) jest rodzajem wytrzymałego transformatora elektrycznego używanego do pomiaru przemieszczenia liniowego. Znalazł on szerokie zastosowanie w wielu aplikacjach przemysłowych, w tym w turbinach energetycznych, hydraulice, automatyce, samolotach, satelitach, reaktorach jądrowych i wielu innych.

W tym badaniu przedstawiamy dodatki LVDT i moduły wysokotemperaturowe NANOVEA Tribometr które umożliwiają pomiar zmiany głębokości śladu zużycia badanej próbki podczas procesu zużycia w podwyższonych temperaturach. Umożliwia to użytkownikom korelację różnych etapów procesu zużycia ze zmianą współczynnika COF, co ma kluczowe znaczenie dla poprawy podstawowego zrozumienia mechanizmu zużycia i właściwości tribologicznych materiałów do zastosowań wysokotemperaturowych.

CEL POMIARU

W tej pracy. chcielibyśmy zaprezentować możliwości Tribometru NANOVEA T50 do monitorowania in situ ewolucji procesu zużycia materiałów w podwyższonych temperaturach.

Proces zużycia ceramiki glinokrzemianowej w różnych temperaturach jest symulowany w sposób kontrolowany i monitorowany.

NANOVEA

T50

PROCEDURA TESTOWA

Zachowanie tribologiczne, np. współczynnik tarcia (COF) i odporność na zużycie płytek ceramicznych z krzemianu glinu oceniano za pomocą Tribometru NANOVEA. Płytka ceramiczna z krzemianu glinu była podgrzewana w piecu od temperatury pokojowej (RT) do podwyższonej temperatury (400°C i 800°C), a następnie w takich temperaturach przeprowadzano testy zużycia. 

Dla porównania, badania zużycia przeprowadzono po schłodzeniu próbki z 800°C do 400°C, a następnie do temperatury pokojowej. Do badanych próbek przyłożono końcówkę z kulką AI2O3 (śr. 6mm, Grade 100). COF, głębokość zużycia i temperatura były monitorowane in situ.

PARAMETRY BADANIA

pomiaru pin-on-disk

Tribometr LVDT Próbka

Szybkość zużycia, K, oceniano za pomocą wzoru K=V/(Fxs)=A/(Fxn), gdzie V to objętość zużyta, F to obciążenie normalne, s to droga ślizgowa, A to pole przekroju poprzecznego ścieżki zużycia, a n to liczba obrotów. Chropowatość powierzchni i profile ścieżek zużycia oceniano za pomocą NANOVEA Optical Profiler, a morfologię ścieżek zużycia badano za pomocą mikroskopu optycznego.

WYNIKI I DYSKUSJA

Współczynnik COF i głębokość śladu zużycia zarejestrowane in situ są pokazane odpowiednio na RYSUNKU 1 i RYSUNKU 2. Na RYSUNKU 1, "-I" oznacza badanie przeprowadzone, gdy temperatura została zwiększona z RT do podwyższonej temperatury. "-D" reprezentuje temperaturę obniżoną z wyższej temperatury 800°C.

Jak widać na RYSUNKU 1, próbki badane w różnych temperaturach wykazują porównywalny współczynnik COF wynoszący ~0,6 w trakcie pomiarów. Tak wysoki COF prowadzi do przyspieszonego procesu zużycia, w wyniku którego powstaje znaczna ilość odłamków. Głębokość śladu zużycia była monitorowana podczas testów zużycia za pomocą LVDT, jak pokazano na RYS. 2. Testy przeprowadzone w temperaturze pokojowej przed nagrzaniem próbki i po schłodzeniu próbki pokazują, że płyta ceramiczna z krzemianu glinu wykazuje progresywny proces zużycia w RT, głębokość śladu zużycia stopniowo wzrasta podczas testu zużycia do ~170 i ~150 μm, odpowiednio. 

Dla porównania, testy zużycia w podwyższonych temperaturach (400°C i 800°C) wykazują inne zachowanie - głębokość śladu zużycia wzrasta szybko na początku procesu zużycia, a następnie zwalnia w miarę trwania testu. Głębokość ścieżki zużycia dla testów przeprowadzonych w temperaturach 400°C-I, 800°C i 400°C-D wynosi odpowiednio ~140, ~350 i ~210 μm.

COF podczas testów pin-on-desk w różnych temperaturach

RYSUNEK 1. Współczynnik tarcia podczas badań pin-on-disk w różnych temperaturach

Głębokość śladu zużycia płyty ceramicznej z krzemianu glinu w różnych temperaturach

RYSUNEK 2. Ewolucja głębokości śladu zużycia płytki ceramicznej z krzemianu glinu w różnych temperaturach

Średnia szybkość zużycia i głębokość śladu zużycia płytek ceramicznych z krzemianu glinu w różnych temperaturach zostały zmierzone przy użyciu NANOVEA Optical Profiler jak podsumowano w RYSUNEK 3. Głębokość śladu zużycia jest zgodna z zarejestrowaną za pomocą LVDT. Płyta ceramiczna z krzemianu glinu wykazuje znacznie zwiększony wskaźnik zużycia ~0,5 mm3/Nm w temperaturze 800°C, w porównaniu do wskaźników zużycia poniżej 0,2 mm3/N w temperaturze poniżej 400°C. Płytka ceramiczna z krzemianu glinu nie wykazuje znacząco poprawionych właściwości mechanicznych/tribologicznych po krótkim procesie ogrzewania, posiadając porównywalny wskaźnik zużycia przed i po obróbce cieplnej.

Ceramika krzemianowa z tlenku glinu, znana również jako lawa i cudowny kamień, jest miękka i możliwa do obróbki przed obróbką cieplną. Długi proces wypalania w podwyższonej temperaturze do 1093°C może znacznie zwiększyć jej twardość i wytrzymałość, po czym wymagana jest obróbka diamentowa. Taka unikalna cecha sprawia, że ceramika glinowo-krzemianowa jest idealnym materiałem do rzeźby.

W niniejszej pracy wykazaliśmy, że obróbka cieplna w niższej temperaturze niż wymagana do wypalania (800°C vs 1093°C) w krótkim czasie nie poprawia właściwości mechanicznych i tribologicznych ceramiki z krzemianu glinu, co sprawia, że właściwe wypalanie jest niezbędnym procesem dla tego materiału przed jego wykorzystaniem w rzeczywistych zastosowaniach.

 
Szybkość zużycia i głębokość śladu zużycia próbki w różnych temperaturach 1

RYSUNEK 3. Szybkość zużycia i głębokość śladu zużycia próbki w różnych temperaturach

PODSUMOWANIE

Na podstawie kompleksowej analizy tribologicznej w tym badaniu, pokazujemy, że płyta ceramiczna z krzemianu glinu wykazuje porównywalny współczynnik tarcia w różnych temperaturach od temperatury pokojowej do 800°C. Jednakże, wykazuje znacznie zwiększoną szybkość zużycia ~0,5 mm3/Nm w 800°C, co pokazuje znaczenie właściwej obróbki cieplnej tej ceramiki.

Tribometry NANOVEA są w stanie ocenić właściwości tribologiczne materiałów przeznaczonych do zastosowań w wysokich temperaturach do 1000°C. Funkcja pomiaru in situ COF i głębokości śladu zużycia pozwala użytkownikom na korelację różnych etapów procesu zużycia z ewolucją COF, co jest kluczowe w poprawie fundamentalnego zrozumienia mechanizmu zużycia i właściwości tribologicznych materiałów stosowanych w podwyższonych temperaturach.

Tribometry NANOVEA oferują precyzyjne i powtarzalne badania zużycia i tarcia w trybach obrotowym i liniowym 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. Niezrównana oferta NANOVEA jest idealnym rozwiązaniem do określenia pełnego zakresu właściwości trybologicznych cienkich lub grubych, miękkich lub twardych powłok, filmów i podłoży.

Opcjonalne bezdotykowe profilery 3D są dostępne dla wysokiej rozdzielczości obrazowania 3D śladów zużycia, jako dodatek do innych pomiarów powierzchni, takich jak chropowatość.

POMIAR ZUŻYCIA IN-SITU

TERAZ POROZMAWIAJMY O TWOJEJ APLIKACJI

LIVE CHAT

Zużycie obrotowe czy liniowe & COF? (Kompleksowe badanie przy użyciu Tribometru Nanovea)

Zużycie to proces usuwania i odkształcania materiału na powierzchni w wyniku mechanicznego działania przeciwległej powierzchni. Wpływ na to ma wiele czynników, w tym jednokierunkowe poślizg, toczenie, prędkość, temperatura i wiele innych. Badanie zużycia, trybologia, obejmuje wiele dyscyplin, od fizyki i chemii po inżynierię mechaniczną i naukę o materiałach. Złożony charakter zużycia wymaga oddzielnych badań w kierunku konkretnych mechanizmów lub procesów zużycia, takich jak zużycie adhezyjne, zużycie ścierne, zmęczenie powierzchni, zużycie frettingowe i zużycie erozyjne. Jednak „zużycie przemysłowe” zwykle wiąże się z wieloma mechanizmami zużycia zachodzącymi w synergii.

Testy zużycia liniowego i obrotowego (Pin on Disk) to dwie szeroko stosowane konfiguracje zgodne z ASTM do pomiaru zachowań materiałów w zakresie zużycia ślizgowego. Ponieważ wartość szybkości zużycia dowolnej metody badania zużycia jest często wykorzystywana do przewidywania względnego rankingu kombinacji materiałów, niezwykle ważne jest potwierdzenie powtarzalności szybkości zużycia mierzonej przy użyciu różnych konfiguracji testowych. Umożliwia to użytkownikom dokładne rozważenie wartości szybkości zużycia podawanej w literaturze, co ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia właściwości tribologicznych materiałów.

Read More!

Ocena klocków hamulcowych za pomocą trybologii


Znaczenie oceny wydajności poduszek przeciwodłamkowych

Klocki hamulcowe to kompozyty, czyli materiał składający się z wielu składników, który musi spełniać wiele wymogów bezpieczeństwa. Idealne klocki hamulcowe mają wysoki współczynnik tarcia (COF), niski wskaźnik zużycia, minimalny hałas i pozostają niezawodne w zmiennych warunkach. Aby zapewnić, że jakość klocków hamulcowych jest w stanie spełnić ich wymagania, badania tribologiczne mogą być wykorzystane do identyfikacji krytycznych specyfikacji.


Znaczenie niezawodności klocków hamulcowych jest stawiane bardzo wysoko; bezpieczeństwo pasażerów nigdy nie powinno być zaniedbywane. Dlatego kluczowe jest odtworzenie warunków pracy i zidentyfikowanie możliwych punktów awarii.
Z Nanoveą Tribometr, pomiędzy sworzniem, kulką lub płaską powierzchnią a stale poruszającym się materiałem przeciwstawnym przykładane jest stałe obciążenie. Tarcie między dwoma materiałami rejestruje się za pomocą sztywnego czujnika tensometrycznego, co pozwala na zbieranie właściwości materiału przy różnych obciążeniach i prędkościach oraz testuje je w środowiskach o wysokiej temperaturze, korozyjnym lub ciekłym.



Cel pomiaru

W niniejszej pracy badano współczynnik tarcia klocków hamulcowych w środowisku o stale wzrastającej temperaturze od temperatury pokojowej do 700°C. Temperatura środowiska była podnoszona in-situ do momentu zaobserwowania zauważalnego uszkodzenia klocka hamulcowego. Do tylnej strony trzpienia przymocowano termoparę, aby zmierzyć temperaturę w pobliżu interfejsu ślizgowego.



Procedura badania i procedury




Wyniki i dyskusja

W tym badaniu skupiono się głównie na temperaturze, w której klocki hamulcowe zaczynają się psuć. Uzyskane współczynniki COF nie reprezentują wartości rzeczywistych; materiał sworznia nie jest taki sam jak wirników hamulcowych. Należy również zauważyć, że zebrane dane dotyczące temperatury to temperatura sworznia, a nie temperatura interfejsu ślizgowego.

 








Na początku badania (temperatura pokojowa) współczynnik COF pomiędzy trzpieniem SS440C a klockiem hamulcowym miał stałą wartość około 0,2. Wraz ze wzrostem temperatury współczynnik COF stale wzrastał i osiągnął wartość szczytową 0,26 w pobliżu 350°C. Po przekroczeniu temperatury 390°C współczynnik COF zaczął się szybko zmniejszać. W temperaturze 450°C współczynnik COF zaczął ponownie wzrastać do wartości 0,2, ale wkrótce potem zaczął spadać do wartości 0,05.


Temperatura, przy której klocki hamulcowe stale ulegały uszkodzeniu, została określona na poziomie powyżej 500°C. Po przekroczeniu tej temperatury współczynnik COF nie był już w stanie utrzymać początkowego współczynnika COF wynoszącego 0,2.



Wniosek




Klocki hamulcowe wykazały konsekwentne uszkodzenie w temperaturze powyżej 500°C. Współczynnik COF wynoszący 0,2 powoli wzrasta do wartości 0,26, a następnie spada do 0,05 pod koniec badania (580°C). Różnica pomiędzy 0,05 a 0,2 jest 4-krotna. Oznacza to, że siła normalna w temperaturze 580°C musi być czterokrotnie większa niż w temperaturze pokojowej, aby uzyskać taką samą siłę hamowania!


Chociaż nie jest to uwzględnione w tym badaniu, Tribometr Nanovea jest również w stanie przeprowadzić badania w celu obserwacji innej ważnej właściwości klocków hamulcowych: szybkości zużycia. Wykorzystując nasze bezkontaktowe profilometry 3D, można uzyskać objętość śladu zużycia, aby obliczyć jak szybko zużywają się próbki. Testy zużycia mogą być przeprowadzone za pomocą Tribometru Nanovea w różnych warunkach i środowiskach, aby jak najlepiej zasymulować warunki pracy.

TERAZ POROZMAWIAJMY O TWOJEJ APLIKACJI

LIVE CHAT
Tribologia w wysokich temperaturach

Twardość zarysowań w wysokiej temperaturze z wykorzystaniem tribometru

Materiały są wybierane na podstawie wymagań serwisowych. W przypadku zastosowań obejmujących znaczne zmiany temperatury i gradienty termiczne, kluczowe znaczenie ma zbadanie właściwości mechanicznych materiałów w wysokich temperaturach, aby być w pełni świadomym ograniczeń mechanicznych. Materiały, zwłaszcza polimery, zwykle miękną w wysokich temperaturach. Wiele uszkodzeń mechanicznych jest spowodowanych odkształceniem pełzającym i zmęczeniem cieplnym, które ma miejsce tylko w podwyższonych temperaturach. W związku z tym potrzebna jest niezawodna technika pomiaru twardości zarysowania w wysokiej temperaturze, aby zapewnić właściwy dobór materiałów do zastosowań wysokotemperaturowych.

Twardość zarysowań w wysokiej temperaturze z wykorzystaniem tribometru

 

Prawa autorskie © 2024 Nanovea. Wszelkie prawa zastrzeżone.