类别。机械测试

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

安德鲁-肖尔

简介

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.

测量目标

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 高负荷

气动摩擦磨损试验机

测试程序

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.

测试参数

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

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

结果和讨论

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.

距离	Unit	A	B
HDist	毫米	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.

总结

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?

手机屏幕保护膜的抗划伤测试

编写者

斯泰西-佩雷拉、乔塞琳-埃斯帕萨和皮埃尔-勒鲁

了解手机屏幕保护膜的抗划性

手机屏幕上的保护涂层在抗划伤性、附着强度和长期耐用性方面起着至关重要的作用。随着时间的推移，划痕、微裂纹和涂层分层会降低光学清晰度和可靠性，尤其是在高使用率的环境中。为了评估不同的屏幕保护膜如何抵御机械损伤，仪器划痕测试提供了对涂层失效机制（包括附着力、内聚力和断裂行为）的量化了解。.

在这项研究中, 纳诺维亚 PB1000 机械测试仪用于在受控渐进加载条件下比较热塑性聚氨酯和钢化玻璃屏幕保护膜。通过精确的声发射检测，我们确定了临界失效载荷，并描述了每种材料如何对不断增加的机械应力做出反应。.

屏幕保护膜的防刮测试为何重要

许多用户认为，保护层越厚或越硬，性能就越好，但真正的耐用性取决于材料在渐进载荷、表面变形和局部应力作用下的表现。通过仪器划痕测试，工程师可以测量涂层附着力、内聚强度、表面耐磨性，以及失效发生或扩展的确切载荷。.

通过分析裂纹起始点、分层行为和失效模式，制造商可以验证屏幕保护膜的性能，用于研发、质量控制或比较基准。纳米和微小划痕测试提供了可重复的、数据驱动的实际耐用性洞察力，远远超出了传统的硬度评级。.

ℹ️ 了解更多涂层和屏幕保护膜的划痕和附着力测试服务。.

划痕测试目标
测量屏幕保护膜的失效载荷

本研究的目的是展示 NANOVEA PB1000 机械测试仪如何对聚合物和玻璃屏幕保护膜进行可重复的标准化抗划伤测试。通过逐步增加施加的负载，该系统可检测到内聚力和粘合力失效的临界负载，捕捉声发射信号，并将这些事件与划痕深度、摩擦力和表面变形相关联。.

这种方法提供了每种保护涂层的完整机械性能曲线，使制造商和研发团队能够评估材料配方、涂层附着强度、表面耐久性和最佳涂层厚度，从而提高产品性能。这些划痕评估是 NANOVEA 更广泛的产品系列的一部分。机械测试解决方案用于表征研发、质量控制和生产环境中的涂层、薄膜和基材。.

NANOVEA PB1000 大型平台
机械测试仪

划痕测试参数和仪器设置

TPU 和钢化玻璃屏幕保护膜的抗划伤性评估是在受控条件下进行的，以确保可重复性和准确的失效负载检测。以下参数定义了在 NANOVEA PB1000 机械测试仪上使用的渐进加载划痕测试装置。.

装载类型	进步
初始负载	0.1 N
终极装载	12 N
滑动速度	3.025 毫米/分钟
划痕长度	3毫米
压头的几何形状	岩井（120° 锥形）
压头材料（尖端）	钻石
压头半径	50 微米
气体环境	空气
温度	24 °C（室温）

表1: 划痕测试使用的测试参数

在渐进加载划痕测量过程中将屏幕保护膜样品安装在 NANOVEA PB1000 机械测试仪上。.

用于耐刮擦测试的屏幕保护膜样品

我们选择了两种市售的屏幕保护膜材料，以比较它们在抗划伤性、失效行为和机械耐久性方面的差异。两种样品都牢固地安装在 NANOVEA PB1000 机械测试仪上，并在相同的渐进加载条件下进行评估，以确保比较结果的一致性和公正性。.

TPU 屏幕保护膜是一种柔性聚合物薄膜，具有高弹性和较低的耐磨性，而钢化玻璃保护膜则是一种刚性脆性材料，具有高硬度和更强的冲击保护能力。在相同的负载条件下测试这两种材料，可以清楚地评估材料成分、弹性和硬度对划痕失效模式的影响。.

TPU 屏幕保护膜

钢化玻璃

图1: 为抗划伤测试准备的 TPU 和钢化玻璃屏幕保护膜。.

划痕测试结果：热塑性聚氨酯与钢化玻璃屏幕保护膜的失效模式对比

屏幕保护膜类型	临界负荷 #1 (n)	临界负荷 #2 (n)
热塑性聚氨酯	不适用	2.004 ± 0.063
钢化玻璃	3.608 ± 0.281	7.44 ± 0.995

表2: 每个屏幕保护膜样本的关键负载汇总。.

由于热塑性聚氨酯和钢化玻璃屏幕保护膜具有根本不同的机械特性，因此在渐进载荷划痕测试中，每种样品都表现出不同的失效模式和临界载荷阈值。表 2 总结了每种材料测得的临界载荷。.

临界载荷 #1 代表光学显微镜下第一个可观察到的内聚失效点，如裂纹开始或径向断裂。.

临界载荷 #2 相当于通过声发射（AE）监测检测到的第一个重大事件，通常代表较大的结构故障或穿透事件。.

TPU 屏幕保护膜 - 柔性聚合物特性

热塑性聚氨酯（TPU）屏幕保护膜只出现了一次重大临界事件（临界载荷 #2）。该载荷对应于划痕轨迹上薄膜开始从手机屏幕表面翘起、剥离或分层的点。.

一旦超过临界载荷 #2（≈2.00 N），压头的穿透力足以在测试的剩余时间内直接在手机屏幕上造成可见划痕。没有检测到单独的临界载荷 #1，这与材料的高弹性和较低的内聚强度相符。.

钢化玻璃屏幕保护膜 - 脆性失效行为

钢化玻璃屏幕保护膜显示出两种不同的临界载荷，这是脆性材料的特征：

临界载荷 #1（≈3.61 N）：显微镜下观察到径向断裂和裂纹萌生，表明玻璃层的早期内聚失效。.
临界载荷 #2（≈7.44 N）：较大的 AE 峰值和划痕深度的急剧增加表明保护器在较高负载下会穿透。.

虽然 AE 值高于热塑性聚氨酯，但手机屏幕没有受到任何损坏，这表明钢化玻璃保护层有能力在发生灾难性故障之前吸收和分散负载。.

在这两种材料中，临界载荷 #2 与压头击穿屏幕保护膜的瞬间相对应，从而确认了每种样品的保护极限。.

TPU 屏幕保护膜：划痕测试数据和故障分析

划痕模块	临界负荷 #2 (n)
1	2.033
2	2.047
3	1.931
平均数	2.003
标准差	0.052

表 3： TPU 屏幕保护膜划痕测试中测得的临界负荷。.

图2: TPU 屏幕保护膜的摩擦力、法向载荷、声发射（AE）和划痕深度与划痕长度的关系。. (B) 临界载荷 #2

图3: 临界负荷 #2 时 TPU 屏幕保护膜的光学显微镜图像（放大 5 倍；图像宽度 0.8934 毫米）。.

图4: TPU 屏幕保护膜划痕后的全长图像，显示逐步加载测试后的完整划痕轨迹。.

钢化玻璃屏幕保护膜：临界载荷数据和断裂行为

划痕模块	临界负荷 #1 (n)	临界负荷 #2 (n)
1	3.923	7.366
2	3.382	6.483
3	3.519	8.468
平均数	3.653	6.925
标准差	0.383	0.624

表 4：在钢化玻璃屏幕保护膜划痕测试中测得的临界载荷。.

ℹ️ 与非硅酸盐聚合物涂层的比较，请参阅我们关于聚四氟乙烯涂层磨损测试, ，突出了低摩擦聚合物薄膜在类似渐进加载条件下的失效行为。.

图5: 钢化玻璃屏幕保护膜的摩擦力、法向载荷、声发射（AE）和划痕深度与划痕长度的关系。. (A) 临界载荷 #1 (B) 临界载荷 #2

图6: 光学显微镜图像，以 5 倍放大率显示临界载荷 #1（左）和临界载荷 #2（右）的失效位置（图像宽度：0.8934 毫米）。.

图7: 测试后钢化玻璃划痕轨迹的光学显微镜图像，突出显示了渐进加载测试后的断裂起始点（CL#1）和最终穿透区（CL#2）。.

结论TPU 与钢化玻璃屏幕保护膜的划痕性能比较

这项研究展示了 NANOVEA PB1000 机械测试仪如何利用渐进加载和声发射 (AE) 检测技术提供受控、可重复和高灵敏度的抗划伤性测量。通过精确捕捉内聚和粘合失效事件，该系统能够清晰地比较热塑性聚氨酯和钢化玻璃屏幕保护膜在机械应力增加时的表现。.

实验结果证实，钢化玻璃的临界载荷明显高于热塑性聚氨酯，具有卓越的抗划伤性、延迟断裂的起始时间以及可靠的抗压头穿透保护。热塑性聚氨酯较低的内聚强度和较早的分层突出了其在高应力环境中的局限性。.

在确定失效载荷后，还可以使用一个分析仪对产生的划痕轨迹进行分析。非接触式 3D 光学轮廓仪测量沟槽深度、残余变形和划痕后形貌。这有助于完成每种材料的机械剖面图。.

NANOVEA 机械测试仪专为精确和可重复的压痕、划痕和磨损测试而设计，支持符合 ISO 和 ASTM 标准的纳米和微米模块。它的多功能性使其成为评估薄膜、涂层、聚合物、玻璃和基材在研发、生产和质量控制过程中的全部机械性能的理想解决方案。.

常见问题
关于耐刮擦测试

什么是耐刮擦测试？

耐刮擦测试评估材料或涂层在金刚石测针施加逐渐增加的负载时的反应。该测试可确定发生内聚或粘合失效的临界载荷，为耐用性、粘合强度和抗表面损伤能力提供可量化的衡量标准。.

内聚性失效和粘性失效有何区别？

发生内聚失效内涂层或材料，如开裂、撕裂或内部断裂。.
粘合剂失效发生在涂层从底层脱落时，表明粘合强度不足。.

NANOVEA PB1000 通过同步声发射监测、划痕深度跟踪和摩擦分析来检测这两种情况。.

为什么使用机械测试仪而不是手动方法？

像 NANOVEA PB1000 这样的机械测试仪可提供精确、可重复和标准化的测量，确保为研发、生产验证和质量控制提供可靠的数据。它还具有人工方法无法提供的先进功能，例如声发射检测和实时深度监测。.

您的材料需要可靠的划痕测试吗？

PTFE涂层磨损测试

ptfe涂层磨损测试

使用摩擦仪和机械测试器

编写者

李端杰，博士

简介

聚四氟乙烯（PTFE），通常被称为特氟隆，是一种具有特别低的摩擦系数（COF）和出色的耐磨性的聚合物，取决于应用的负载。聚四氟乙烯表现出卓越的化学惰性，熔点高达 327°C (620°F)，并在低温下保持高强度、高韧性和自润滑性。聚四氟乙烯涂层的特殊耐磨性使其在广泛的工业应用中受到追捧，如汽车、航空航天、医疗，特别是炊具。

量化评估的重要性 ptfe涂料的定量评估

超低的摩擦系数（COF）、出色的耐磨性和高温下特殊的化学惰性的结合，使PTFE成为不粘锅涂层的理想选择。为了在研发过程中进一步提高其机械过程，以及确保在质量控制过程中对故障预防和安全措施的最佳控制，拥有一个可靠的技术来定量评估PTFE涂层的摩擦机械过程是至关重要的。精确控制涂层的表面摩擦、磨损和粘附是确保其预期性能的关键。

测量目标

在这个应用中，使用NANOVEA摩擦仪在线性往复模式下模拟了不粘锅的PTFE涂层的磨损过程。

NANOVEA T50 紧凑型
自由重量摩擦磨损测试仪

此外，NANOVEA机械测试仪被用来进行微划痕附着力测试，以确定PTFE涂层附着力失效的临界负荷。

NANOVEA PB1000 大型平台机械测试仪

测试程序

磨损测试

使用摩擦仪的线性往复式磨损

使用 NANOVEA 评估 PTFE 涂层样品的摩擦学行为，包括摩擦系数 (COF) 和耐磨性摩擦仪在线性往复模式下。直径为 3 毫米（100 级）的不锈钢 440 球头用于涂覆涂层。在 PTFE 涂层磨损测试期间持续监测 COF。

磨损率K的计算公式为K=V/(F×s)=A/(F×n)，其中V为磨损体积，F为法向载荷，s为滑动距离，A为磨损轨迹的横截面积，n是冲程数。使用 NANOVEA 评估磨损轨迹轮廓光学轮廓仪，并使用光学显微镜检查磨损轨迹形态。

磨损测试参数

负载	30 N
测试时间	5分钟
滑动率	80转/分钟
轨迹的振幅	8毫米
革命	300
球体直径	3毫米
球体材料	不锈钢440
润滑油	无
气体环境	空气
温度	230C (RT)
湿度	43%

测试程序

划痕测试

使用机械测试仪进行微观划痕附着力测试

使用 NANOVEA 进行 PTFE 划痕粘附力测量机械测试仪在微划痕测试仪模式下使用 1200 Rockwell C 金刚石触针（半径 200 μm）进行测量。

为了确保结果的可重复性，在相同的测试条件下进行了三次测试。

划痕测试参数

装载类型	渐进的
初始负载	0.01 mN
终极装载	20 mN
装载率	40 mN/min
划痕长度	3毫米
刮擦速度，dx/dt	6.0毫米/分钟
压头的几何形状	120o Rockwell C
压印材料（尖端）	钻石
压头半径	200 μm

结果与讨论

使用摩擦仪的线性往复式磨损

原位记录的 COF 如图 1 所示。由于 PTFE 的粘性较低，测试样品在前 130 转期间的 COF 约为 0.18。然而，一旦涂层破裂，露出下面的基材，COF 就会突然增加到~1。线性往复测试后，使用 NANOVEA 测量磨损轨迹轮廓非接触式光学轮廓仪，如图 2 所示。根据获得的数据，计算出相应的磨损率为 ~2.78 × 10-3 mm3/Nm，而磨损轨迹的深度确定为 44.94 µm。

NANOVEA T50摩擦仪上的PTFE涂层磨损测试设置。

图1: 在PTFE涂层磨损试验中COF的演变。

图2: 磨损轨道PTFE的Proﬁle提取。

突破前的PTFE

最大COF	0.217
最小COF	0.125
平均COF	0.177

突破后的PTFE

最大COF	0.217
最小COF	0.125
平均COF	0.177

表1: 磨损试验期间，突破前和突破后的COF。

结果与讨论

使用机械测试仪进行微观划痕附着力测试

聚四氟乙烯涂层对基材的附着力是用200微米的金刚石测针进行划痕测试来测量的。显微照片显示在图3和图4中，COF的演变，以及渗透深度显示在图5中。 PTFE涂层划痕测试结果总结在表4中。随着金刚石测针的负载增加，它逐渐渗透到涂层中，导致COF的增加。当达到~8.5N的载荷时，在高压下发生了涂层的突破和基体的暴露，导致了~0.3的高COF。表2中显示的低St Dev表明了使用NANOVEA机械测试仪进行的PTFE涂层划痕测试的可重复性。

图3: PTFE上的完整划痕的显微照片（10X）。

图4: PTFE上的完整划痕的显微照片（10X）。

图5: 摩擦图显示聚四氟乙烯的临界失效点线。

摩擦	*故障点 [N]*	*摩擦力[N]。*	*基金会*
1	0.335	0.124	0.285
2	0.337	0.207	0.310
3	0.380	0.229	0.295
平均值	8.52	2.47	0.297
圣地亚哥	0.17	0.16	0.012

表2: 划痕试验期间的临界载荷、摩擦力和COF的总结。

结论

在这项研究中，我们使用NANOVEA T50摩擦仪在线性往复模式下对不粘锅的PTFE涂层的磨损过程进行了模拟。PTFE涂层表现出较低的COF（约0.18），涂层在130转左右出现了突破。使用NANOVEA机械测试仪对PTFE涂层与金属基体的附着力进行了定量评估，在这个测试中，涂层附着力失效的临界负荷是~8.5N。

NANOVEA摩擦仪采用符合ISO和ASTM标准的旋转和线性模式，具有精确和可重复的磨损和摩擦测试能力。它们提供了高温磨损、润滑和摩擦腐蚀的可选模块，所有这些都集成在一个系统中。这种多功能性使用户能够更准确地模拟真实的应用环境，并获得对不同材料的磨损机制和摩擦学特性的理解。

NANOVEA机械测试仪包括纳米、微观和宏观模块，每个模块都包括符合ISO和ASTM标准的压痕、划痕和磨损测试模式，在一个系统中提供最广泛和最方便的测试能力。

有类似的应用程序吗？

使用纳米压痕对软木进行动态机械分析

动态机械分析

使用纳米压痕法对软木进行检测

编写者

刘志强

简介

动态机械分析（DMA）是一种强大的技术，用于研究材料的机械性能。在这个应用中，我们重点分析了软木，一种广泛用于葡萄酒密封和老化过程的材料。软木，从亚栎树的树皮中获得，表现出独特的细胞结构，提供类似于合成聚合物的机械性能。在一个轴上，软木具有蜂窝状结构。其他两个轴的结构是多个类似矩形的棱镜。这使软木具有不同的机械性能，取决于被测试的方向。

动态机械分析（DMA）测试在评估软木机械性能方面的重要性

软木塞的质量在很大程度上取决于其机械和物理特性，这对其在葡萄酒密封方面的有效性至关重要。决定软木塞质量的关键因素包括弹性、绝缘性、回弹力以及对气体和液体的不渗透性。通过利用动态机械分析（DMA）测试，我们可以定量评估软木塞的弹性和回弹特性，提供一个可靠的评估方法。

NANOVEA PB1000机械测试仪在纳米压痕 DMA模式可以对这些特性进行表征，特别是杨氏模量、存储模量、损失模量和tan delta（tan（δ））。DMA测试还允许收集关于软木材料的相移、硬度、应力和应变的宝贵数据。通过这些综合分析，我们对软木塞的机械行为及其在葡萄酒密封应用中的适用性有了更深入的了解。

测量目标

在这项研究中，使用NANOVEA PB1000机械测试仪在纳米压痕模式下对四个软木塞进行动态机械分析（DMA）。软木塞的质量被标示为：1 - Flor, 2 - First, 3 - Colmated, 4 - Synthetic rubber.对每个软木塞在轴向和径向都进行了DMA压痕测试。通过分析软木塞的机械反应，我们旨在深入了解其动态行为，并评估其在不同方向上的性能。

NANOVEA

PB1000

测试参数

最大力气	75 mN
装载率	150 mN/min
卸载率	150 mN/min
AMPLITUDE	5 mN
频度	1赫兹
CREEP	60 s

压头类型

球类

51200钢

3毫米直径

结果

在下面的表格和图表中，杨氏模量、储存模量、损失模量和tan delta在每个样品和方向之间进行了比较。

杨氏模量： Stiﬀness；高值表示stiﬀ，低值表示flexible。

储存模数： 弹性反应；储存在材料中的能量。

损失模量： 粘性反应；由于热而损失的能量。

谭（δ）： 阻尼；高值表示更多的阻尼。

轴向

塞子	*杨氏模量*	*存储模量*	*亏损模式*	*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

辐射方向

塞子	*杨氏模量*	*存储模量*	*亏损模式*	*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

杨氏模量

存储模量

亏损模式

TAN DELTA

在软木塞之间，在轴向测试时，杨氏模量差别不大。只有塞子#2和#3在径向和轴向之间的杨氏模量有明显差异。因此，储能模量和损耗模量在径向方向上也将高于轴向方向。塞子#4显示出与天然软木塞类似的特性，除了损失模量。这相当有趣，因为这意味着天然软木塞比合成橡胶材料具有更高的粘性。

结论

纳诺维娅机械测试仪在纳米划痕测试仪模式下，可以模拟许多现实生活中油漆涂层和硬质涂层的故障。通过以受控和密切监控的方式施加不断增加的负载，该仪器可以识别发生负载故障的情况。然后可以将其用作确定耐刮擦性定量值的方法。测试的涂层没有风化，已知在约 22 mN 时出现第一道裂纹。值接近 5 mN，很明显，7 年一圈已经使油漆退化。

对原始轮廓进行补偿，可以获得划痕期间的修正深度，也可以测量划痕后的残留深度。这就提供了关于涂层在增加载荷下的塑性与弹性行为的额外信息。裂纹和变形的信息对改善硬涂层都有很大的作用。非常小的标准偏差也显示了该仪器技术的可重复性，这可以帮助制造商提高他们的硬涂层/涂料的质量，并研究风化的影响。

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金属基材上涂料的纳米划痕和磨损测试

纳米划痕和 Mar 测试

金属基材上的油漆

编写者

苏珊娜-卡贝罗

简介

带或不带硬涂层的油漆是最常用的涂料之一。我们在汽车上、墙壁上、电器上以及几乎任何需要一些保护性涂层或只是为了美观的东西上都能看到它。用于保护底层基材的油漆通常含有防止油漆起火的化学品，或者仅仅是防止其失色或开裂。通常情况下，用于审美目的的油漆有各种颜色，但不一定是为了保护其底层，也不一定是为了延长使用寿命。

然而，所有的油漆都会随着时间的推移发生一些风化。涂料的风化往往会改变其属性，使之与制造者的意图不符。它可以更快断裂，受热后剥落，颜色变淡或开裂。随着时间的推移，油漆的不同属性的变化是为什么制造商oﬀ了如此广泛的选择。油漆是为满足个别客户的不同要求而定制的。

纳米划痕测试对质量控制的重要性

涂料制造商的一个主要关注点是他们的产品是否能够承受开裂。一旦油漆开始开裂，它就不能保护它所应用的基材；因此，不能满足他们的客户。例如，如果一根树枝碰巧划过一辆汽车的侧面，紧接着油漆就开始开裂，油漆的制造商就会因为油漆质量差而失去业务。油漆的质量是非常重要的，因为如果油漆下的金属暴露出来，它可能会因为新的暴露而开始生锈或腐蚀。

像这样的原因适用于其他几个光谱，如家庭和办公用品和电子产品，玩具，研究工具等。虽然当他们第一次将油漆涂在金属涂层上时，油漆可能是抗裂的，但随着时间的推移，当样品上发生了一些风化后，其性能可能会发生变化。这就是为什么让油漆样品在其风化阶段进行测试非常重要。虽然在高负荷的压力下开裂可能是不可避免的，但制造商必须预测随着时间的推移，这种变化可能会有多大的削弱，以及aﬀecting scratch必须有多深，以便为他们的消费者提供最好的产品。

测量目标

我们必须以控制和监测的方式来模拟划痕的过程，以观察样品的行为eﬀects。在这个应用中，NANOVEA PB1000机械测试仪在纳米划痕测试模式下被用来测量导致金属基体上约7年的30-50微米厚的油漆样品失效所需的负载。

一支2 μm的钻石头测针在0.015 mN到20.00 mN的渐进负荷下，对涂层进行划痕。我们用0.2 mN的载荷对涂料进行了前后扫描，以确定划痕的真实深度值。真实深度分析了测试期间样品的塑性和弹性变形；而后扫描只分析了划痕的塑性变形。涂层因开裂而失效的点被当作是失效点。我们以ASTMD7187为指导来确定我们的测试参数。

我们可以得出结论，使用风化的样品；因此，在较弱的阶段测试油漆样品，为我们提供了较低的故障点。

对这个样本进行了五次测试，以便

确定准确的失效临界载荷。

NANOVEA

PB1000

测试参数

以下 ASTM D7027

使用配备了高速传感器的NANOVEA ST400扫描粗糙度标准件的表面，该传感器产生了192个点的亮线，如图1所示。这192个点同时扫描样品表面，导致扫描速度大大增加。

装载类型	渐进的
初始负载	0.015 mN
终极装载	20 mN
装载率	20 mN/min
划痕长度	1.6毫米
刮擦速度，dx/dt	1.601毫米/分钟
预扫描加载	0.2 mN
扫瞄后加载	0.2 mN

压头类型

锥形

钻石90°锥体

2微米的尖端半径

结果

本节介绍了在划痕试验中收集的故障数据。第一部分描述了在划痕中观察到的故障，并定义了所报告的临界载荷。下一部分包含了所有样品的临界载荷的汇总表，以及一个图形表示。最后一部分介绍了每个样品的详细结果：每个划痕的临界载荷，每个故障的显微照片，以及测试的图表。

观察到的故障和关键负载的定义

关键的失败：

初始损害

这是沿划痕轨道观察到的第一个损伤点。

关键的失败：

完全损坏

在这一点上，损坏比较严重的地方是油漆沿着刮痕裂开了。

详细结果

* 失效值取自于基材开裂点。

重要负载
划痕模块	初始伤害[mN] 。	完全损坏 [µm]
1	14.513	4.932
2	3.895	4.838
3	3.917	4.930

平均数	3.988	4.900
STD DEV	0.143	0.054

图2: 完整划痕的显微照片（1000倍放大）。

图3: 初始损伤的显微照片（1000倍放大）。

图4: 完全损坏的显微照片（1000倍放大）。

图5: 摩擦力和摩擦系数。

图6: 表面轮廓。

图7: 真实深度和残余深度。

结论

纳诺维娅机械测试仪在里面纳米划痕测试仪模式可以模拟许多现实生活中的油漆涂层和硬涂层的故障。通过以受控和密切监测的方式施加越来越大的负载，该仪器可以确定在何种负载下会发生故障。然后，这可以作为确定耐刮擦性的定量值的方法。所测试的涂层，在没有风化的情况下，已知在大约22毫牛时出现第一道裂纹。如果数值接近5 mN，很明显，7年的搭接已经使涂料退化了。

对原始轮廓的补偿可以在划痕期间获得修正的深度，并测量划痕后的残余深度。这就提供了关于涂层在增加载荷下的塑性与弹性行为的额外信息。裂纹和变形的信息对改善硬涂层都有很大的作用。非常小的标准偏差也显示了仪器技术的可重复性，这可以帮助制造商提高其硬涂层/涂料的质量，并研究风化的影响。

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摩擦试验机测高温下划痕硬度

高温划痕硬度

使用摩擦仪

编写者

杜安杰，博士

简介

硬度衡量的是材料对永久或塑性变形的抵抗力。划痕硬度测试最初是由德国矿物学家弗里德里希-莫尔斯在1820年开发的，它确定了材料对尖锐物体的摩擦造成的划痕和磨损的硬度。¹.莫氏标度是一个比较指数，而不是一个线性标度，因此，ASTM标准G171-03所述，开发了一个更准确和定性的划痕硬度测量方法。².它测量金刚石测针产生的划痕的平均宽度并计算出划痕硬度数（HSP）。

高温下测量划痕硬度的重要性

材料是根据服务要求来选择的。对于涉及重大温度变化和热梯度的应用，测试材料在高温下的机械性能以充分了解其机械极限是至关重要的。材料，特别是聚合物，通常在高温下会软化。很多机械故障是由蠕变变形和热疲劳引起的，只有在高温下才会发生。因此，需要一种可靠的技术来测量高温下的硬度，以确保为高温应用正确选择材料。

测量目标

在本研究中，NANOVEA T50 摩擦试验机在室温至 300°C 的不同温度下测量特氟龙样品的划痕硬度。执行高温划痕硬度测量的能力使得 NANOVEA 摩擦仪用于高温应用材料的摩擦学和机械评估的多功能系统。

NANOVEA

T50

测试条件

NANOVEA T50摩擦试验机可用于室温（RT）到300℃的温度范围内对特氟隆样品进行划痕硬度测试。特富龙的熔点为326.8°C。使用顶角为120°、尖端半径为200 µm的锥形金刚石测针。特氟隆样品被固定在旋转式样品台上，与平台中心的距离为10毫米。样品被烤箱加热，在RT、50°C、100°C、150°C、200°C、250°C和300°C的温度下进行测试。

测试参数

高温划痕硬度的测量

常态力	2 N
滑动速度	1毫米/秒
划痕长度	每个温度8毫米
气体环境	空气
温度	RT, 50°C, 100°C, 150°C, 200°C, 250°C, 300°C。

结果与讨论

为了比较不同温度下的划痕硬度，图1显示了特氟龙样品在不同温度下的划痕轮廓。当测针以2N的恒定载荷行进时，在划痕边缘形成材料堆积，并刺入特氟隆样品，将划痕中的材料推向一侧并使之变形。

如图2所示，在光学显微镜下检查划痕。显微镜测量的划痕宽度和计算出的划痕硬度值（HSP）在图3中进行了总结和比较。显微镜测量的划痕宽度与使用NANOVEA轮廓仪测量的划痕宽度一致，特氟隆样品在较高温度下表现出更宽的划痕宽度。当温度从RT上升到300℃时，它的划痕宽度从281微米增加到539微米，HSP从65MPa下降到18MPa。

使用NANOVEA T50摩擦磨损仪可以高精度、高重复性地测量高温下的划痕硬度。它提供了一个不同于其他硬度测量的解决方案，并使NANOVEA摩擦仪成为一个更完整的系统，用于全面的高温三坐标机械评估。

图1: 在不同温度下进行划痕硬度测试后的划痕轮廓。

图2: 在不同温度下测量后，显微镜下的划痕痕迹。

图3: 刮痕宽度和刮痕硬度与温度的变化。

结论

在这项研究中，我们展示了NANOVEA摩擦仪如何在高温下测量符合ASTM G171-03标准的划痕硬度。恒定载荷下的划痕硬度测试为使用摩擦仪比较材料的硬度提供了另一种简单的解决方案。在高温下进行划痕硬度测量的能力使NANOVEA摩擦仪成为评估材料高温三相力学性能的理想工具。

NANOVEA摩擦仪还提供精确和可重复的磨损和摩擦测试，使用符合ISO和ASTM标准的旋转和线性模式，在一个预集成的系统中可选择高温磨损、润滑和三相腐蚀模块。可选的3D非接触式轮廓仪，除了用于其他表面测量（如粗糙度）外，还可以对磨损轨迹进行高分辨率的3D成像。

1 Wredenberg, Fredrik; PL Larsson (2009)."金属和聚合物的划痕测试。实验和数值"。磨损266（1-2）。76
2 ASTM G171-03 (2009), "使用金刚石测针测试材料的划痕硬度的标准测试方法"

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工业涂料的划痕和磨损评估

工业涂料

使用摩擦试验机进行划痕和磨损评估

编写者

李端杰博士和安德烈亚-赫尔曼博士

简介

丙烯酸聚氨酯漆是一种快干保护涂料，广泛用于各种工业应用，如地板漆、汽车漆等。当作为地坪漆使用时，它可以服务于人流和胶轮车流量大的地方，如人行道、路边和停车场。

划痕和磨损测试对质量控制的重要性

传统上，根据ASTM D4060标准，采用Taber磨损试验来评估丙烯酸聚氨酯地坪漆的耐磨性。然而，正如标准中所提到的，"对于某些材料，由于测试过程中车轮的磨料特性发生变化，使用Taber磨料磨具进行的磨损测试可能会发生变化。“1这可能导致检测结果的可重复性差，并造成比较不同实验室报告的值的困难。此外，在Taber磨损试验中，耐磨性计算为在指定次数的磨损循环下的重量损失。而丙烯酸聚氨酯地坪漆的推荐干膜厚度为37.5 ~ 50 μm2。

Taber Abraser的侵蚀性磨蚀过程可以迅速磨穿丙烯酸聚氨酯涂层，并造成基材的质量损失，从而导致涂料重量损失计算的巨大误差。在磨蚀试验过程中，磨料颗粒植入涂料中也会造成误差。因此，一个控制良好的可量化和可靠的测量对于确保涂料的可重复性磨损评估至关重要。此外，还有划痕测试允许用户在实际应用中检测到过早的粘合剂/胶粘剂失效。

测量目标

在这项研究中，我们展示了 NANOVEA 摩擦计和微纳米力学测试系统是工业涂料评估和质量控制的理想选择。

使用NANOVEA摩擦仪，以控制和监测的方式模拟不同面漆的丙烯酸聚氨酯地板漆的磨损过程。微量划痕测试被用来测量导致涂料内聚或粘合失效所需的负荷。

NANOVEA T100

紧凑型气动摩擦仪

NANOVEA PB1000

大型平台机械测试仪

测试程序

本研究评估了四种市售的水性丙烯酸地板涂料，它们具有相同的底漆（基底漆）和相同配方的不同面漆，为了提高耐久性，在添加剂的混合上有小的变化。这四种涂料被确定为样品A、B、C和D。

磨损测试

NANOVEA 摩擦计用于评估摩擦学行为，例如摩擦系数、COF 和耐磨性。将 SS440 球头（直径 6 毫米，等级 100）应用于测试涂料。 COF 是现场记录的。磨损率K的计算公式为K=V/(F×s)=A/(F×n)，其中V为磨损体积，F为法向载荷，s为滑动距离，A为磨损轨迹的横截面积，n是转数。表面粗糙度和磨损轨迹轮廓由 NANOVEA 评估光学轮廓仪，并使用光学显微镜检查磨损轨迹形态。

磨损测试参数

常态力

20 N

速度

15米/分钟

测试时间

100、150、300和800周期

划痕测试

配备了罗克韦尔C金刚石触控笔(200 μm半径)的NANOVEA机械测试仪使用微刮擦测试模式对油漆样品进行渐进负载刮擦测试。使用了两种最终负载:5 N的最终负载用于研究底漆上的油漆分层，35 N的最终负载用于研究金属基材上的底漆分层。对每个样品在相同的测试条件下重复进行三次测试，以确保结果的可重复性。

整个划痕长度的全景图像被自动生成，它们的临界失效位置被系统软件与施加的载荷相关联。这一软件功能便于用户随时对划痕进行分析，而不是在划痕测试后立即在显微镜下确定临界载荷。

划痕测试参数

装载类型	渐进的
初始负载	0.01 mN
终极装载	5 N / 35 N
装载率	10 / 70 N/min
划痕长度	3毫米
刮擦速度，dx/dt	6.0毫米/分钟
压头的几何形状	120º锥体
压印材料（尖端）	钻石
压头半径	200 μm

磨损测试结果

在不同转数(100、150、300和800循环)下，对每个样品进行了四次针对盘磨损试验，以监测磨损的演变。在进行磨损测试之前，用NANOVEA 3D非接触剖面仪测量样品的表面形貌，以量化表面粗糙度。所有样品的表面粗糙度均约为1 μm，如图1所示。COF在磨损试验中原地记录，如图2所示。图4为100、150、300和800循环后的磨损轨迹演变，图3为不同样品在磨损过程不同阶段的平均磨损率。

与其他三种样品的COF值~0.07相比，样品a的COF值在开始时要高得多，为~0.15，经过300次磨损循环后，COF值逐渐增加，稳定在~0.3。如此高的COF加速了磨损过程，并产生了大量的油漆碎片，如图4所示——样品a的面漆在前100转中已经开始被去除。如图3所示，样品A在前300个循环中磨损率最高，为~5 μm2/N，由于金属基体的耐磨性较好，磨损率略微下降到~3.5 μm2/N。样品C的面漆在150次磨损后开始失效，如图4所示，图2中COF的增加也说明了这一点。

相比之下，样品B和样品D表现出增强的摩擦学性能。样品B在整个测试过程中保持较低的COF - COF从~0.05轻微增加到~0.1。这样的润滑效果大大提高了它的耐磨性-面漆在800次磨损循环后仍然对底漆提供优越的保护。样品B在800次循环时的最低平均磨损率仅为~0.77 μm2/N。样品D的面漆在375次循环后开始分层，从图2中COF的突然增加可以看出。样品D在800次循环时的平均磨损率约为1.1 μm2/N。

与传统的Taber磨损测量相比，NANOVEA摩擦仪提供了良好控制的可量化和可靠的磨损评估，确保了商业地板/汽车涂料的可重复性评估和质量控制。此外，原位COF测量的能力使用户能够将磨损过程的不同阶段与COF的演变联系起来，这对于提高对各种油漆涂层的磨损机制和摩擦学特性的基本认识至关重要。

图1: 涂料样品的三维形态和粗糙度。

图2: 在引脚磁盘测试期间，COF。

图3: 不同涂料的磨损率的演变。

图4: 钉盘试验期间磨损痕迹的演变。

划痕测试结果

图5显示了以样品A为例，法向力、摩擦力和真实深度与划痕长度的关系图。可以安装一个可选的声发射模块来提供更多信息。随着法向载荷的线性增加，压痕尖端逐渐下沉到被测样品中，这反映在真实深度的逐渐增加上。摩擦力和真实深度曲线的斜率变化可以作为涂层开始出现故障的含义之一。

图5: 法向力、摩擦力和真实深度与划痕长度的关系。最大载荷为5N的样品A的划痕测试。

图6和图7显示了在最大载荷为5N和35N的情况下测试的所有四个油漆样品的全部划痕。样品D需要更高的负荷，即50N才能使底漆脱层。在5N的最终载荷下的划痕测试（图6）评估了面漆的内聚/粘附失效，而在35N的测试（图7）评估了底漆的分层。显微照片中的箭头表示顶层涂料或底层涂料开始从底层或基材上完全脱落的点。在这一点上的载荷，即所谓的临界载荷，Lc，是用来比较涂料的内聚力或粘合力的，如表1所总结的。

很明显，油漆样品D具有最好的界面附着力——在油漆分层处显示出最高的Lc值4.04 N，在底漆分层处显示出36.61 N。样品B显示出第二好的耐刮性。从划痕分析中，我们发现涂料配方的优化对丙烯酸地板涂料的力学性能，或更具体地说，耐划痕性和粘附性至关重要。

表1: 关键负荷的总结。

图6: 最大负荷为5N的完全划痕的显微照片。

图7: 最大负荷为35N的完全划痕的显微照片。

结论

与传统的Taber磨蚀测量相比，NANOVEA机械测试仪和摩擦仪是商业地板和汽车涂料评估和质量控制的卓越工具。NANOVEA机械测试仪在划痕模式下可以检测涂层系统中的附着力/内聚力问题。NANOVEA摩擦仪对涂料的耐磨性和摩擦系数提供了良好控制的可量化和可重复的摩擦学分析。

基于对本研究中测试的水基丙烯酸地板涂料的综合摩擦学和机械分析，我们表明样品B拥有最低的COF和磨损率，以及第二好的耐刮擦性，而样品D表现出最好的耐刮擦性和第二好的耐磨性。这一评估使我们能够评估和选择针对不同应用环境需求的最佳候选人。

NANOVEA机械测试仪的纳米和微模块都包括ISO和ASTM兼容的压痕，划痕和磨损测试模式，提供了最广泛的测试范围，可在单个模块上进行油漆评估。NANOVEA摩擦计使用符合ISO和ASTM标准的旋转和线性模式提供精确和可重复的磨损和摩擦测试，并可在一个预先集成的系统中提供可选的高温磨损、润滑和摩擦腐蚀模块。NANOVEA无与伦比的范围是确定薄或厚、软或硬涂层、薄膜和基材的全套机械/摩擦学性能的理想解决方案，包括硬度、杨氏模量、断裂韧性、附着力、耐磨性和许多其他性能。可选NANOVEA非接触式光学剖面仪可用于划痕和磨损轨迹的高分辨率三维成像，以及其他表面测量，如粗糙度。

现在，让我们来谈谈你的申请

摩擦试验机测量划痕硬度

划痕硬度测量

使用力学测试系统

编写者

李端杰，博士

简介

一般来说，硬度测试是测量材料对永久变形或塑性变形的抵抗能力。硬度测量有三种类型:划痕硬度、压痕硬度和回弹硬度。划痕硬度测试的是材料对锋利物体摩擦产生的划痕和磨损的抵抗能力。它最初是由德国矿物学家弗里德里希·莫赫在1820年发明的，至今仍被广泛用于评定矿物的物理性质2。这种测试方法也适用于金属、陶瓷、聚合物和涂层表面

在划痕硬度测量过程中，用指定几何形状的金刚石触头在恒定的法向力和恒定的速度下沿线性路径划入材料表面。测量划痕的平均宽度，并用于计算划痕硬度数(HSP)。这种技术为不同材料的硬度缩放提供了一个简单的解决方案。

测量目标

在这项研究中，NANOVEA PB1000机械测试仪被用来测量不同金属的划痕硬度，符合ASTM G171-03标准。

同时，这项研究展示了 NANOVEA 的能力机械测试仪以高精度和可重复性进行划痕硬度测量。

NANOVEA

PB1000

测试条件

NANOVEA PB1000机械测试仪对三种抛光金属（Cu110、Al6061和SS304）进行了划痕硬度测试。使用了一个顶角为120°、尖端半径为200 µm的锥形金刚石测针。每个样品以相同的测试参数进行了三次划痕，以确保结果的可重复性。测试参数总结如下。在10mN的低正常载荷下，在划痕前后进行剖面扫描。划痕测试来测量划痕的表面轮廓的变化。

测试参数

常态力

10 N

温度

24°C (RT)

滑动速度

20毫米/分钟

划痕长度

10毫米

气体环境

空气

结果与讨论

三种金属（Cu110、Al6061和SS304）测试后的划痕图像显示在图1中，以便比较不同材料的划痕硬度。NANOVEA机械软件的绘图功能被用来创建三个在相同条件下测试的平行划痕的自动协议。表1中总结和比较了测量的划痕宽度和计算的划痕硬度数（HSP）。金属显示出不同的磨损轨迹宽度，Al6061、Cu110和SS304分别为174、220和89微米，从而计算出的HSP为0.84、0.52和3.2GPa。

除了根据划痕宽度计算出的划痕硬度外，在划痕硬度测试期间还现场记录了摩擦系数（COF）、真实深度和声发射的变化。这里，真实深度是指划痕测试中测针的穿透深度与预扫描中测得的表面轮廓之间的深度差。Cu110的COF、真实深度和声发射作为一个例子显示在图2中。这些信息提供了对划痕过程中发生的机械故障的洞察力，使用户能够检测机械缺陷并进一步研究被测材料的划痕行为。

划痕硬度测试可以在几分钟内完成，具有很高的精度和可重复性。与传统的压痕程序相比，本研究中的划痕硬度测试为硬度测量提供了另一种解决方案，这对于质量控制和新材料的开发非常有用。

Al6061

Cu110

SS304

图1: 测试后划痕的显微镜图像（100倍放大）。

	*刮痕宽度（μm）*	*HS_p (GPa)*
Al6061	174±11	0.84
Cu110	220±1	0.52
SS304	89±5	3.20

表1: 划痕宽度和划痕硬度数的总结。

图2: 在对Cu110进行划痕硬度测试时，摩擦系数、真实深度和声发射的演变。

结论

在这项研究中，我们展示了NANOVEA机械测试仪在进行符合ASTM G171-03标准的划痕硬度测试方面的能力。除了涂层附着力和耐刮擦性之外，恒定负载下的刮擦测试为比较材料的硬度提供了另一种简单的解决方案。与传统的划痕硬度测试机相比，NANOVEA机械测试机提供了可选模块，用于监测摩擦系数、声发射和真实深度的原地演变。

NANOVEA机械测试仪的纳米和微模块包括ISO和ASTM兼容的压痕、划痕和磨损测试模式，在单个系统中提供最广泛和最用户友好的测试范围。NANOVEA无与伦比的范围是确定薄或厚，软或硬涂层，薄膜和基材的全部机械性能的理想解决方案，包括硬度，杨氏模量，断裂韧性，附着力，耐磨性和许多其他。

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氮化钛涂层划痕测试

质量控制检查

编写者

李端杰，博士

简介

高硬度、优异的耐磨性、耐腐蚀性和惰性的结合使氮化钛（TiN）成为各行业金属部件的理想保护涂层。例如，氮化钛涂层的边缘保持性和耐腐蚀性可以大幅提高工作效率，延长剃须刀、金属切割机、注塑模具和锯床等机械工具的使用寿命。它的高硬度、惰性和无毒性使TiN成为医疗设备（包括植入物和手术器械）应用的最佳选择。

TiN涂层刮擦测试的重要性

保护性PVD/CVD涂层中的残余应力对涂层部件的性能和机械完整性起着关键作用。残余应力来自几个主要来源，包括生长应力、热梯度、几何约束和使用应力¹。在高温下涂层沉积过程中，涂层和基体之间产生的热膨胀不匹配导致了高热残余应力。此外，TiN涂层工具经常在非常高的集中应力下使用，例如钻头和轴承。开发一个可靠的质量控制程序来定量检测保护性功能涂层的内聚力和粘合力是至关重要的。

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

测量目标

在这项研究中，我们展示了 NANOVEA 微纳米力学测试系统划痕模式非常适合以受控和定量的方式评估 TiN 保护涂层的内聚/粘合强度。

NANOVEA

PB1000

测试条件

NANOVEA PB1000机械测试仪被用来进行涂层划痕测试在三个TiN涂层上使用相同的测试参数，总结如下：

装载模式。渐进式线性

初始负载

0.02 N

终极装载

10 N

装载率

20 N/min

划痕长度

5毫米

缩略语类型

球状体-锥形体

钻石，半径为20微米

结果与讨论

图1显示了测试过程中穿透深度、摩擦系数（COF）和声发射的演变记录。图2显示了TiN样品上的全部微划痕。不同临界载荷下的失效行为显示在图3中，其中临界载荷Lc1被定义为划痕中出现第一条粘性裂纹的载荷，Lc2是发生反复剥落的载荷，Lc3是涂层从基体上完全去除的载荷。图4中总结了TiN涂层的临界载荷（Lc）值。

渗透深度、COF和声发射的演变提供了对不同阶段涂层失效机制的深入了解，这些阶段在本研究中由临界载荷代表。可以观察到，样品A和样品B在划痕测试中表现出类似的行为。测针逐渐深入样品，深度为~0.06毫米，在涂层划痕试验开始时，随着法向载荷的线性增加，COF逐渐增加到~0.3。当达到~3.3 N的Lc1时，出现了崩裂失效的第一个迹象。这也反映在穿透深度、COF和声发射图中的第一个大峰值。当载荷继续增加到Lc2的~3.8 N时，穿透深度、COF和声发射的进一步波动发生了。我们可以观察到在划痕的两边都存在连续的剥落故障。在Lc3，涂层在测针施加的高压下从金属基体上完全剥离，使基体暴露在外面，没有受到保护。

相比之下，样品C在涂层划痕试验的不同阶段表现出较低的临界载荷，这也反映在涂层划痕试验期间的穿透深度、摩擦系数（COF）和声发射的演变上。与样品A和样品B相比，样品C在顶部TiN涂层和金属基材之间的界面上拥有一个硬度较低、应力较高的粘附夹层。

这项研究证明了适当的基材支撑和涂层结构对涂层系统质量的重要性。更强的夹层可以在高的外部负荷和集中应力下更好地抵抗变形，从而提高涂层/基体系统的内聚力和粘合力。

图1: TiN样品的渗透深度、COF和声发射的演变。

图2: 测试后的TiN涂层的全部划痕。

图3: 不同临界载荷下的TiN涂层失效，Lc。

图4: TiN涂层的临界载荷（Lc）值摘要。

结论

在这项研究中，我们展示了NANOVEA PB1000机械测试仪在受控和密切监测的情况下对TiN涂层的样品进行可靠和准确的划痕测试。划痕测量使用户能够快速确定典型的内聚性和粘合性涂层失效的临界负荷。我们的仪器是卓越的质量控制工具，可以定量地检查和比较涂层的内在质量和涂层/基体系统的界面完整性。具有适当夹层的涂层可以在高的外部负荷和集中应力下抵抗大的变形，并提高涂层/基体系统的内聚力和粘合力。

NANOVEA机械测试仪的纳米和微米模块都包括符合ISO和ASTM标准的压痕、划痕和磨损测试仪模式，在一个系统中提供了最广泛和最方便的测试范围。NANOVEA无与伦比的范围是确定薄或厚、软或硬的涂层、薄膜和基材的全部机械性能的理想解决方案，包括硬度、杨氏模量、断裂韧性、附着力、耐磨性和许多其他性能。

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水凝胶的机械性能

使用纳米压痕

编写者

杜安杰，博士和JORGE RAMIREZ

简介

水凝胶因其对水的超强吸收能力而闻名，它的灵活性与天然组织非常相似。这种相似性使水凝胶不仅成为生物材料的常见选择，而且也成为电子、环境和消费品应用的选择，如隐形眼镜。每个独特的应用都需要特定的水凝胶机械性能。

纳米压痕对水凝胶的重要性

水凝胶为纳米压痕带来了独特的挑战，如测试参数的选择和样品的准备。许多纳米压痕系统有很大的局限性，因为它们最初的设计并不是用于这种柔软的材料。一些纳米压痕系统使用一个线圈/磁铁组件在样品上施加力。没有实际的力的测量，导致在测试软质材料时出现不准确的和非线性的加载。材料。确定接触点是非常困难的，因为深度是唯一被实际测量的参数。几乎不可能观察到在深度与时间期间的情节当压头尖端接近水凝胶材料时的一段时期。

为了克服这些系统的局限性，在 "纳米 "模块中的 NANOVEA 机械测试仪使用单独的称重传感器测量力反馈，以确保所有类型的材料（软质或硬质）的高精度。压电控制的位移极其精确且快速。通过消除具有线圈/磁铁组件且无力反馈的系统必须考虑的许多理论假设，可以实现无与伦比的粘弹性测量。

测量目标

在这个应用中， NANOVEA 机械测试仪，在纳米压痕模式下，被用来研究水凝胶样品的硬度、弹性模量和蠕变。

NANOVEA PB1000 机械测试仪

测试条件

用纳米压痕技术对放置在玻璃片上的水凝胶样品进行测试，使用的是 NANOVEA 机械测试仪。对于这种柔软的材料，使用了一个直径为3毫米的球形尖端。在加载期间，载荷从0.06到10 mN线性增加。然后通过在最大载荷10 mN下70秒的压痕深度的变化来测量蠕变。

接近速度。 100 μm/min

联系负载

0.06 mN

最大负荷

10 mN

装载率

20 mN/min

CREEP

70 s

结果与讨论

载荷和深度随时间的变化如图所示图1.可以观察到，在图上的深度与时间因此，很难确定加载期开始时的斜率变化点，这通常可以作为压头开始接触软质材料的指示。然而，图中的负载与时间显示了水凝胶在外加载荷下的奇特行为。当水凝胶开始与球压头接触时，水凝胶由于其表面张力而拉动球压头，这往往会减少表面积。这种行为导致了在加载阶段开始时测量到的负载为负值。当压头沉入水凝胶时，载荷逐渐增加，然后控制在最大载荷10 mN的位置，持续70秒，以研究水凝胶的蠕变行为。

图1: 负荷和深度的演变是时间的一个函数。

的情节。蠕变深度与时间的关系显示在图2，以及负荷与位移的关系纳米压痕测试的曲线图如图所示图3.本研究中的水凝胶拥有16.9KPa的硬度和160.2KPa的杨氏模量，这是根据使用Oliver-Pharr方法的负载位移曲线计算出来的。

蠕变是研究水凝胶机械性能的一个重要因素。压电装置和超灵敏的称重传感器之间的闭环反馈控制确保了在最大载荷的蠕变时间内的真正恒定载荷。如图所示图2在3毫米球头施加的10毫牛最大负荷下，水凝胶在70秒内因蠕变而消退~42微米。

图2: 在最大负荷为10 mN的情况下蠕动70秒。

图3: 水凝胶的负载与位移图。

结论

在这项研究中，我们展示了 NANOVEA 机械测试仪在纳米压痕模式下，对水凝胶的机械性能包括硬度、杨氏模量和蠕变进行精确和可重复的测量。3毫米的大球头确保了与水凝胶表面的正确接触。高精度的电动样品台允许将水凝胶样品的平坦面准确地定位在球头下。本研究中的水凝胶表现出16.9KPa的硬度和160.2KPa的杨氏模量。在10mN的负载下，70秒的蠕变深度为~42μm。

NANOVEA 机械测试仪在一个平台上提供无可比拟的多功能纳米和微米模块。这两个模块包括划痕测试器、硬度测试器和磨损测试器模式，在一个单一的平台上提供最广泛和最友好的测试范围。
系统。

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