在现代，先进技术陶瓷的应用成倍增加。它们被用于各种工具和装置，从锋利的工具到植入物，这种适用性很大程度上是由于它们的机械韧性。然而，这随着零件制造过程的不同而不同，因此每种材料都有不同的用途虎钳的机械强度应与出厂时一样，通过直接测量零件来评估。这可以通过仪器压痕来实现，仪器压痕测量杨氏模量和硬度，而无需任何类型的残余压痕成像。
仪器压痕或纳米压痕是硬度标准测试的一个进步，包括布氏硬度、维氏硬度、洛氏硬度和努氏硬度。这里是金刚石（或不太常见的另一种硬压头）在施加和移除该力的整个过程中，不断测量该接触产生的力和穿透力。因此，这优于仅评估一个参数的传统方法，即单次施力时的变形测量。它根据ISO和ASTM标准，已被公认为标准。通过该试验，硬度（H）是作用力除以接触投影面积，以GPa单位给出，但也可转换为维氏硬度（HVC).压痕力减小期间恢复位移的测量也可用于确定试验材料的局部杨氏模量（E）。
这里描述了这一技术的两个例子，第一个是在称为CoorsTek TTZ的增韧氧化锆上。晶粒尺寸约为40µm，存在沿晶相(图1)。晶粒为立方氧化锆(ZrO)2.)由于基质中存在这种材料，因此通过MgO置换以立方晶格形式稳定，晶间二氧化硅与一定程度的杂质混合。第二次试验在单晶氧化铝（Al）上进行2.O3.).
操作方法如下：使用标准技术测量两种材料的杨氏模量、硬度和维氏硬度，并将测试结果与这些陶瓷材料的公布结果进行比较。随后使用纳米Blitz 3D（纳米力学产生的压痕测试方法）生成在一秒钟内绘制CoorsTek TTZ的表面图。欧洲杯足球竞彩
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图1。用于仪器压痕的CoorsTek TTZ氧化锆表面。轻相为立方氧化锆；暗相为粒间二氧化硅。
欧洲杯足球竞彩材料和方法
使用直径为2cm的氧化铝圆盘作为试样。磨光圆盘的平面，使其在光学上垂直于晶格的c轴，并在与c轴方向相同的一面上进行试验。TTZ样品也是一个直径约为2 cm、厚度约为1 cm的圆盘，但购买后必须对其进行抛光，以使其适合仪器化压痕试验。这是通过用水和碳化硅（从220粒度到600粒度）粗磨完成的。用6µm和1µm金刚石的中等绒布，使用含酒精基的延长剂，进一步抛光用于试验的顶面。使用两块布进行最终抛光，一块布具有低nap和0.05µm胶体二氧化硅，一台振动抛光机在中等nap布上使用0.06µm胶体二氧化硅。
和来自纳米力学的iNano，根据ISO 14577仪器压痕标准，在每个陶瓷样品上形成20个压痕，间距为40µm。CoorsTek TTZ和氧化铝样品上的峰值力分别为25mN和50MN。在20秒的加载周期、2秒的停留时间和与加载速率相同的卸载速率后，在卸载终止时使用80秒的恒力施加周期。这是为了补偿热漂移（样品热收缩和膨胀），从而获得更精确的位移测量。总测试时间约为2分钟。
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图2。TTZ氧化锆（蓝色）和氧化铝（绿色）标准压痕的加载时间规定。
第三步使用纳米力学的NanoBlitz 3D绘制CoorsTek TTZ上正方形区域的表面，测量值为100µm x 100µm。这包括晶粒和晶间空间。设置一组50×50的压痕，以获得总共2500个压痕，每个点使用20mN的峰值力。测试大约在30分钟内完成。
结果和讨论
如图3所示，按照ISO 14577标准测量的每个样品的载荷-位移曲线用于计算杨氏模量、硬度和维氏硬度的基本机械性能，如表1所示。
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图3。TTZ氧化锆(蓝色)和氧化铝(绿色)的两个标准压痕的载荷-位移曲线。
表1。测量和参考特性总结。
| 通过仪器压痕测量（ISO 14577）N=20 |
参考值 |
| 布料 |
力（mN） |
E（GPa） |
H（GPa） |
HVc（千克/毫米）2.) |
E（GPa） |
显微硬度（kg/mm）2.) |
泊松比 |
| 氧化铝（c轴） |
50 |
435±14 |
29.9±1.15 |
2820±100 |
499§[5] |
2200（高压）[6] |
0.23 [5] |
| 库斯泰克TTZ |
25 |
249±9.7 |
17.0±0.69 |
1600±65 |
200年[1] |
1200（HK 1kg）[1] |
0.3 [1] |
§499 GPa表示c轴方向；E=403 GPa垂直于c轴[5]。
图4显示了CoorsTek TTZ纳米闪电试验的结果，以及导出的杨氏模量和硬度。
氧化铝的杨氏模量沿c轴在435 GPa处测量，而参考值为499 GPa。这不能被视为不准确，因为a-b方向的E值仅为403 GPa，因为材料是非常各向异性的，并且任何轴上的压痕也取决于其他轴上的弹性是。因此，测量值将落在每个轴的值之间。Oliver和Phar关于仪器压痕的最有影响力的论文给出了441 GPa作为氧化铝的c轴值。
当考虑CoorsTek TTZ值时，E值高于批量测试中通常报告的值，研究人员指出原因是测试规模较小。压痕仅在颗粒相中形成，获得的值仅为该相（立方氧化锆）的值，与体积模量值相反，体积模量值反映了颗粒相和晶间相的值，因此较小。
维氏硬度测量值明显高于氧化铝和氧化锆显微硬度的参考值。必须记住，晶体中发生的位错的萌生和扩展可能导致塑性变形。这受材料测试规模的影响。压痕越小，包含的试验体积越小，出现错位的可能性越大。测试的体积越小，晶体的强度就越强，因此“压痕尺寸效应”。研究人员认为，HV测量中的差异C这完全是由于小尺度，无法使用常规方法测量显微硬度。这种测量的精细度本身就是仪器压痕的进步。
杨氏模量和硬度的映射（图4）也在微观水平上为CoorsTek TTZ的结构提供了丰富的信息，表明晶间相在其机械强度方面类似于低品位二氧化硅，杨氏模量约为70 GPa，硬度约为5 GPa。因此，这种测试方法有助于研究这种陶瓷的性能，并预测其机械性能，其精度优于拉伸、显微硬度和压缩的整体测试。
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图4。对于CoorsTek TTZ，硬度（顶部）和杨氏模量（底部）的表面图。中心图像显示用于生成机械性能图的压痕阵列（50 x 50）。
结论
综上所述，由于材料的微观结构与体积之间的密切关系，纳米压痕技术在杨氏模量和硬度等力学性能的微观测试中具有重要价值。这一点很重要，因为微观结构是材料力学行为的基础，这项工作证明了这一点。在较低的尺度下，变形强度增加。当仅考虑CoorsTek TTZ时，可以清楚地看到，体积杨氏模量不仅来源于晶体立方氧化锆相的性质，而且也来源于非晶晶晶间相的性质。
确认
Nanomechanics，Inc.感谢David Johanns对TTZ微观结构的深入了解。
参考文献和进一步阅读
- “TTZ氧化锆材料特性”，网址：http://www.coorstek.com最后访问日期：2016年3月21日。
- “金属材料——硬度和材欧洲杯足球竞彩料参数的仪器化压痕试验”，ISO 14577，国际标准化组织，瑞士日内瓦（2002年）。
- “仪器压痕试验的标准实施规程”，E2546-07，美国材料试验学会国际组织，宾夕法尼亚州西康舍霍肯（2007年）。
- 王海峰，单晶弹性常数与骨料性质的计算，力学学报，2钕麻省剑桥麻省理工学院出版社（1971年）。
- “蓝宝石（Al2.O3.)规格，”。
- Oliver，W.C.和Pharr，G.M.，“利用载荷和位移传感压痕实验测定硬度和弹性模量的改进技术，材料研究杂志欧洲杯足球竞彩7.(6):1564-1583 (1992).
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本信息来源、审查和改编自纳米力学公司提供的材料。欧洲杯足球竞彩
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