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納米壓痕儀 | 非均質(zhì)結(jié)構(gòu)材料研究

納米壓痕儀 | 非均質(zhì)結(jié)構(gòu)材料研究
安東帕  2020-07-03  |  閱讀:2241

熱噴涂技術(shù)通常是在高溫下進行操作,然后在較低溫度下快速凝固,從而其涂層的微觀結(jié)構(gòu)具有很強的各向異性。對于微觀結(jié)構(gòu)的各向異性的表征,建議采用儀器化壓痕測試方法做點陣壓痕測試,并結(jié)合高斯分布擬合方法對測試結(jié)果做統(tǒng)計評估。這種方法可以有效地表征熱噴涂涂層的非均質(zhì)結(jié)構(gòu),并在Anton-Paar NHT3納米壓痕儀上得到了驗證。

Anton-Paar NHT3


高斯分布

點陣壓痕可以獲得硬度(HIT)和彈性模量(EIT),統(tǒng)計結(jié)果用雙模高斯分布進行分析,用硬度HIT來舉例 (彈性模量EIT直接替換) 公式為:

其中,參數(shù)μ1和μ2均為單相的平均硬度,σ1和σ2分別對應于不同個體分布的標準方差,參數(shù)p表示相分數(shù)。

測試參數(shù)

點陣式壓痕測試不僅需要定義兩個相鄰壓痕點之間的距離,同時還要定義單個壓痕點的壓入深度。我們來看下圖1,當壓入深度遠大于第二相的尺寸時,就會造成結(jié)構(gòu)中兩相結(jié)果的疊加,從而不符合測試需求。因此,需要定義壓入深度遠小于第二相尺寸,這樣才能對兩種不同的相進行區(qū)分。

圖1 : 點陣壓痕測試和結(jié)果分析

可知定義相鄰兩壓痕點間的距離和單個點的壓入深度極其重要,從而點陣壓痕的最大載荷是2mN;加載和卸載時間為10 秒,在最大載荷處保載5秒,并以5μm為間隔制作20x20個壓痕點陣。

所測試的材料為采用HVOF方法制備的陶瓷-金屬涂層:WC-17%Co,Cr3C2-25%NiCr,以下簡稱為WCCo和CrCNiCr。圖2展示的是WCCo和CrCNiCr的微觀結(jié)構(gòu),是典型的碳化物硬質(zhì)顆?;煸诮饘倩w中。

圖2 :由HVOF工藝制備的WCCo (a) 和CrCNiCr (b)

結(jié)果分析

圖3展示的是對于點陣壓痕測試結(jié)果中彈性模量進行統(tǒng)計分析,包含了概率密度圖以及對測試樣品進行雙峰高斯分布擬合??梢粤私獾絎CCo和CrCNiCr涂層包含了兩種不同的力學性能擬合峰值,即對應了兩種不同的相結(jié)構(gòu)。對于WCCo涂層,雙峰高斯分布中金屬基體的彈性模量和硬質(zhì)合金顆粒的彈性模量分別是274GPa和 368GPa。對于CrCNiCr涂層,金屬基體的彈性模量是219GPa,而硬質(zhì)合金顆粒的彈性模量是310GPa。這些值與相似成分的塊體材料的彈性模量顯示一致性。

圖3 : 涂層WCCo (a) 和CrCNiCr (b) 的彈性模量直方圖和高斯擬合

結(jié)論

采用點陣壓痕模式結(jié)合高斯擬合表征非均質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法,在Anton-Paar NHT3納米壓痕儀上得到了很好驗證。這樣表征的方法不僅能表征非均質(zhì)材料的力學性能,還能獲得力學性能的分布情況等信息,為新材料的研發(fā)和應用提供方向和助力。

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