一种材料高温性能的原位测试方法及系统技术方案

本申请提供了一种材料高温性能的原位测试方法及系统，通过在高温环境下对加载时压入测试样品的压头的侧面，和卸载后测试样品上的压头的侧面分别进行原位显微投影，得到压痕宽度d和残余压痕宽度d

【技术实现步骤摘要】
一种材料高温性能的原位测试方法及系统


[0001]本专利技术涉及材料性能测试
，特别是涉及一种材料高温性能的原位测试方法及系统。

技术介绍

[0002]工程材料的高温环境下的硬度和弹性恢复以及能量耗散等特性代表了材料在高温应用条件下的可靠性和安全性，特别是高温结构陶瓷以及复合材料在高温氧化环境下的硬度、弹性恢复率和能量耗散率等性能的测试和评价一直是一个难题。高温下的压痕试验要获取压入深度和残余深度非常困难，降温后压痕是不可能找到的，即使找到也会由于热胀冷缩，造成常温下的压痕尺寸已与高温环境下的压痕尺寸完全不同，从而无法得到材料在高温环境下的硬度、弹性恢复率和能量耗散率。
[0003]目前能够在高温氧化环境下测试材料的硬度、弹性恢复率和能量耗散率等性能的仪器设备基本处于空缺状态。而采用美国或瑞士生产的微纳米压痕仪仅可以实现测试常温条件下材料的上述性能，在高温环境下却无法实现上述性能的测试。

技术实现思路

[0004]本申请的目的在于提供一种材料高温性能的原位测试方法及系统，以实现高精度测试工程材料在高温环境下的硬度、弹性恢复率和能量耗散率。具体技术方案如下：
[0005]本申请第一方面提供了一种材料高温性能的原位测试方法，其包括以下步骤：
[0006]将测试样品放在可视化高温炉中，将压头固定垂直放置在所述测试样品的抛光表面上；
[0007]测试环境下，对所述压头匀速加载至载荷F并保持，使所述压头垂直压入所述抛光表面形成压痕；平行于所述抛光表面的平行光沿着所述抛光表面对压入所述测试样品的压头的侧面进行第一原位显微投影，获得第一显微照片；测量所述第一显微照片中的压头投影的边缘与所述抛光表面相交点之间的距离d
’
；根据压痕宽度d＝d
’
/X1，X1为所述第一显微照片的第一放大倍数，获得压痕宽度d；
[0008]测试环境下，对所述压头匀速卸载，卸载后，所述平行光沿着所述抛光表面对所述测试样品上的压头的侧面进行第二原位显微投影，获得第二显微照片；测量所述第二显微照片中的压头投影的边缘与所述抛光表面相交点之间的距离d
c
’
，根据残余压痕宽度d
c
＝d
c
’
/X2，X2为所述第二显微照片的第二放大倍数，获得残余压痕宽度d
c
；
[0009]根据所述压痕宽度d和/或残余压痕宽度d
c
，计算得到所述测试样品在所述测试环境下的硬度、弹性恢复率r
e
和能量耗散率r
d
；
[0010]其中，所述测试环境的环境温度为300
‑
1500℃。
[0011]在本申请的一种实施方案中，所述压头选自洛氏压头，测试过程中保持所述洛氏压头的中心轴所在的轴截面垂直于所述平行光；所述硬度为洛氏硬度HRC，根据式(1)获得所述洛氏硬度HRC：
[0012]HRC＝F/(πd2/sin60
°
)
ꢀꢀ
(1)；
[0013]式(1)中，所述压痕宽度d的单位为mm，所述载荷F的单位为N，所述洛氏硬度HRC的单位为MPa。
[0014]在本申请的一种实施方案中，所述压头选自维氏压头，测试过程中测试过程保持所述维氏压头的两条相对棱形成的平面垂直于所述平行光；所述硬度为维氏硬度HV，根据式(2)获得所述维氏硬度HV：
[0015]HV＝0.204F/(d2/sin68
°
)
ꢀꢀ
(2)；
[0016]式(2)中，所述压痕宽度d的单位为mm，所述载荷F的单位为N，所述维氏硬度HV的单位为MPa。
[0017]在本申请的一种实施方案中，根据式(3)获得所述弹性恢复率r
e
：
[0018]r
e
＝(d
–
d
c
)/d
ꢀꢀ
(3)；
[0019]式(3)中，所述压痕宽度d和所述残余压痕宽度d
c
的单位均为mm，所述弹性恢复率r
e
的单位为％。
[0020]在本申请的一种实施方案中，根据式(4)获得所述能量耗散率r
d
：
[0021]r
d
＝d
c
/d
ꢀꢀ
(4)；
[0022]式(4)中，所述压痕宽度d和所述残余压痕宽度d
c
的单位均为mm，所述能量耗散率r
d
的单位为％。
[0023]在本申请的一种实施方案中，所述压头的材质选自热压碳化硅。
[0024]在本申请的一种实施方案中，所述匀速加载和匀速卸载的速率可以相同或不同，为0.1
‑
1mm/min，加载的载荷F为1
‑
500N，保持所述载荷F的时间为5
–
30sec。
[0025]在本申请的一种实施方案中，所述第一放大倍数X1和所述第二放大倍数X2和所述第三放大倍数X3可以相同或不同，为50
‑
1500。
[0026]本申请第二方面提供了一种用于实施本申请第一方面任一种实施方案所述的测试方法的高温原位试验系统，其包括可视化高温炉、带孔夹具、压头、万能材料试验机和远焦显微镜。
[0027]本申请的有益效果：
[0028]本申请提供了一种材料高温性能的原位测试方法及系统，本申请提供的原位测试方法，通过在高温环境下对加载时压入测试样品的压头的侧面，和卸载后测试样品上的压头的侧面分别进行原位显微投影，得到分别携带有压痕宽度信息和残余压痕宽度信息的高分辨率的第一显微照片和第二显微照片；进而根据在第一显微照片和第二显微照片中分别测得的压头投影的边缘与材料抛光表面相交点之间的距离d
’
和d
c
’
，得到压痕宽度d和残余压痕宽度d
c
，从而实现对高温敏感压痕位移的高精度测量。再进一步将得到的压痕宽度和残余压痕宽度，与专利技术人基于本申请的测试方法推导出的公式(1)
‑
(4)相结合，得到材料在高温环境下的硬度、弹性恢复率和能量耗散率，从而实现对材料高温性能的高效测试。
[0029]本申请的测试方法创造性地采用高温原位观测照相压痕方法来评价材料的硬度、弹性恢复率和能量耗散率的新思路，这是是本专利技术的核心。它包括碳化硅压头的设计、加载方式、压入深度的评价计算、通过原位测试方法得到的压痕宽度d和残余压痕宽度d
c
，计算材料的硬度、弹性恢复率和能量耗散率。本申请的测试方法完成了以往国内外无法实现的材料高温硬度、高温弹性恢复率和高温能量耗散率的测试与评价，填补了该领域的空白，并
且，具有简单、创新、方便、高效的特点。
[0030]本申请提供的高温原位试验系统用于实施本申请的材料高温性能的原位测试本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种材料高温性能的原位测试方法，其包括以下步骤：将测试样品放在可视化高温炉中，将压头固定垂直放置在所述测试样品的抛光表面上；测试环境下，对所述压头匀速加载至载荷F并保持，使所述压头垂直压入所述抛光表面形成压痕；平行于所述抛光表面的平行光沿着所述抛光表面对压入所述测试样品的压头的侧面进行第一原位显微投影，获得第一显微照片；测量所述第一显微照片中的压头投影的边缘与所述抛光表面相交点之间的距离d
’
；根据压痕宽度d＝d
’
/X1，X1为所述第一显微照片的第一放大倍数，获得压痕宽度d；测试环境下，对所述压头匀速卸载，卸载后，所述平行光沿着所述抛光表面对所述测试样品上的压头的侧面进行第二原位显微投影，获得第二显微照片；测量所述第二显微照片中的压头投影的边缘与所述抛光表面相交点之间的距离d
c
’
，根据残余压痕宽度d
c
＝d
c
’
/X2，X2为所述第二显微照片的第二放大倍数，获得残余压痕宽度d
c
；根据所述压痕宽度d和/或残余压痕宽度d
c
，计算得到所述测试样品在所述测试环境下的硬度、弹性恢复率r
e
和能量耗散率r
d
；其中，所述测试环境的环境温度为300
‑
1500℃。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述压头选自洛氏压头，测试过程中，保持所述洛氏压头的中心轴所在的轴截面垂直于所述平行光；所述硬度为洛氏硬度HRC，根据式(1)获得所述洛氏硬度HRC：HRC＝4F/(πd2/sin60
°
) (1)；式(1)中，所述压痕宽度d的单位为mm，所述载荷F的单位为N，所述洛氏硬度HRC的单位为MPa。3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述压...

【专利技术属性】
技术研发人员：包亦望，张文祥，刘冰，
申请(专利权)人：天津中环电炉股份有限公司，
类型：发明
国别省市：