高温测试环境下的压头材料

纳米压痕和微压缩测试广泛用于通过负载或位移控制，通过已知几何形状的压头来探究材料的机械性能。这种仪器化的压痕原理是从测试硬度的常规方法(例如布氏或维氏测量)发展而来的，并已成为评估各种样品特性(例如硬度，弹性模量，断裂韧性，蠕变，应力)的理想候选技术。

材料特性会随温度变化而明显变化。在某些情况下，材料特性的温度依赖性可能对下游应用几乎没有影响。但是，对于用于热处理，耐火材料或作为在高速和高温下运行的切削工具涂层的材料而言，情况并非如此。此类材料必须在模拟的使用温度下进行表征，这对于常规的纳米压痕设备可能具有挑战性。

高温压头材料的性能

首先，通过热硬度测试探索并克服了与评估材料在高温下的机械性能相关的许多挑战和困难。这突出了高温压痕的许多独特原理。最初基于尽可能高的硬度和刚度选择压头探针，而热硬度测试表明了这些特性在测试条件下如何变化的重要性。

选择的压头材料必须在测试温度下保持其硬度，在许多工业应用中，测试温度通常在室温到600°C的范围内变化。热膨胀系数低的材料在室温下表现出异常的硬度，可能会在测试条件下软化。这会显著改变压头面积函数，进而会导致随后计算出的硬度值或弹性模量出现一定比例的误差。此外，压头可能会永久损坏并失去锋利度。

评估高温下压头和样品之间化学反应的不匹配也是至关重要的。在低温下呈惰性的压头材料可能会在测试条件下与样品材料发生反应，从而影响一种或两种接触的材料，在极端情况下，一种材料会溶解到另一种材料中。

评估高温压头材料

为了进行硬度测试，压头材料的硬度必须至少比样品高20%，以产生塑性变形。理想情况下，压头的硬度应大于100%，以避免快速变钝或损坏。尽管钻石是在环境温度下最好的压头材料之一，但它的硬度在升高的温度下会迅速降低(仍然比所有其他候选物都坚硬)。

金刚石是从室温到1000°C的所有温度下最坚硬的工程材料。在最严格的高温纳米压痕测试中，它始终保持其优异的机械性能，并且仍然是测试极硬材料(如工业级陶瓷和功能涂料)的理想解决方案。就高温下的硬度而言，立方氮化硼(BN)是第二种最值得注意的压头材料，在高达约500°C的工作温度下仍保持其刚性结构，之后其硬度呈指数级下降。

碳化钨(WC)虽然不如立方氮化硼坚硬，但在高温下保持其硬度明显更好，最大峰值工作温度约为900°C。

如上所述，这些材料性能仅仅是压头性能的一方面。在升高的温度下，压头，样品和大气中的氧分子之间发生交叉污染的风险显着增加。对于金刚石，氮化硼和蓝宝石，加热温度超过400°时，实际上不可避免地会在压头上形成氧化物。碳化钨是高温下反应性最低的压头材料之一，因此使其可用于金属合金的高温纳米压痕测试。

在许多方面，必须在对被测材料有所了解的情况下对压头的材料进行诊断。