氮化硅 ($Si_3N_4$) 是首选材料，主要因为它具有出色的热稳定性和化学惰性，适用于高温压痕塑性测试。与其他在高温下会降解的硬质材料不同，氮化硅能保持其结构完整性并抵抗与金属试样的反应，从而确保在极端热环境下准确收集数据。
核心见解：压痕材料的选择不仅仅在于硬度，还在于化学相容性。虽然金刚石更硬，但在 300-400°C 以上会变得化学不稳定。选择氮化硅是因为它保持惰性，可防止压痕材料在高温测试过程中与金属样品发生粘合或污染。
化学惰性的关键作用
防止样品污染
在高温环境中，材料的反应性会增强。氮化硅球体的首要优势是其化学惰性。
使用有反应性的压痕材料可能导致压痕尖端与金属样品之间发生化学键合。这种相互作用会扭曲压痕的几何形状，并歪曲所得的力学数据。氮化硅大大降低了这种风险，确保测量结果反映的是样品的性能，而不是化学反应。
保持热稳定性
高温塑性测试要求压痕材料在极端高温下保持其形状和表面光洁度。
氮化硅具有优异的高温热稳定性。它能抵抗高温负荷常伴随的物理退化，从而能够进行一致、可重复的测试循环，而无需频繁更换压痕材料。
氮化硅 ($Si_3N_4$) 与金刚石的比较
金刚石的氧化阈值
金刚石通常因其极高的硬度而成为压痕的标准材料。然而，在这种特定应用中，它有一个关键的弱点。
在300-400°C 以上的温度下，金刚石会发生剧烈的氧化反应。在氧气存在下，金刚石表面开始退化，从而影响压痕尖端的精度。
与金属试样的反应
除了简单的氧化，金刚石在高温下还容易与金属试样发生化学反应。
这种反应性会导致“碳化物形成”或扩散，即金刚石中的碳与金属发生相互作用。这会破坏压痕尖端并改变样品的局部成分。氮化硅消除了这种失效模式，使其成为在 400°C 以上阈值测试金属的更优选择。
理解权衡
硬度与稳定性
需要承认的是，氮化硅通常比金刚石硬度低。
然而，在高温塑性测试中，化学稳定性比最终硬度更重要。硬度略有降低是可以接受的权衡，以避免金刚石在这些环境中遭受灾难性的化学失效和氧化。
为您的测试做出正确选择
在设置压痕塑性实验时，工作温度是决定性因素。
- 如果您的主要重点是低于 300°C 的测试：金刚石压痕材料可能仍然可行，并提供卓越的硬度。
- 如果您的主要重点是高温测试（>400°C）：您必须使用氮化硅，以避免氧化和与金属试样发生化学反应。
选择氮化硅，您将优先考虑化学环境的完整性，确保您的数据反映真实的力学行为，而不是化学干扰。
总结表：
| 特性 | 氮化硅 (Si3N4) | 金刚石压痕材料 |
|---|---|---|
| 最高工作温度 | 高温下稳定（>400°C） | 300-400°C 以上退化 |
| 化学反应性 | 高度惰性；防止粘合 | 与金属反应（碳化物形成） |
| 抗氧化性 | 优异 | 差（高温下空气中氧化） |
| 主要优势 | 化学和热稳定性 | 极高的硬度 |
| 最佳应用场景 | 高温金属测试 | 低温精密测试 |
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参考文献
- Hannes Tammpere, T.W. Clyne. Profilometry‐Based Indentation Plastometry at High Temperature. DOI: 10.1002/adem.202301073
本文还参考了以下技术资料 Kintek Press 知识库 .
