페이지콘텐츠로이동

나노 압흔

부품소형화추세에따라초소형부품의기계적하중용량측정법의필요성이생겨났습니다。이때나노압흔,즉나노범위의계정화압흔시험이필합니다。가장얇은층의경도,내부접착강도,마모를시험하며모두나노압흔으로시험합니다。

나노압흔의다양성

기술혁신으로재료사용량이점점줄어들고있습니다。이런이유로마이크로및나노규모에서재료의기계적성질을측정하는방법으로나노압흔의선호도가높아지고있습니다。시험시스템(나노압자)은다음과같이다양한응용분야에사용할수있습니다。

Din en iso 14577에따른경도및에따른경도및률측정

일반적으로힘제어기능이있는베르코비치압자로측정합니다。예를들어10초하중,5초홀드시간,4초하중제거를통해매우빠르게측정할수있습니다。

측정가능한값:

  • 압흔경도h(HV단위로재평가)
  • 마르텐스경도HM또는HM
  • 압흔계수eit(탄성계수)
  • 압흔크리프c또는릴랙세이션r
  • 탄성변형성분대압흔에너지비율

총60가지의값을측정할수있습니다。

마이크로긁기시험

시험은일반적으로반지름5~10μm의구형끝부분으로수행합니다。최대응력은기판이아닌코팅에있는경우가가장많습니다。면을여러번스캔할수있습니다。긁는길이가짧아서끝부분의마모와` ` ` `면거칠기의` ` ` ` ` `향이줄어듭니다。

응력-변형곡선측정

독일칼스루에연구센터와함께구형압자로만든압흔에서금속의전체응력——변형곡선을측정할수있는방법을개발했습니다。이는파라미터를식별하기위해신경망을이용하는것을기반으로하며,이동(运动)경화도고려합니다。

비커스경도

비커스경도는압자경도에서계산할수있습니다。연방재료시험연구소(BAM)에서수행한종합시험에서는기존의비커스경도시험법,InspectorX알고리즘으로계산하고H로재평가한값을이용한비커스경도시험법을바탕으로20가지재료를비교했습니다。다른소프트웨어패키지와비교했을때10%미만대의25 ~ 30%평균차이를보였습니다。

(T。Chudoba, M. Griepentrog,国际材料研究96 (2005)11 1242 - 1246]

QCSM모듈을이용한깊이의존측정

압흔경도h의DIN EN ISO 14577준수여부를판단하기위해깊이감지나노압흔측정을수행하는동안특정최대하중에서하중-변위곡선F (h)이측정됩니다。경도는이측정에서도달한최대깊이에대해서만@ @시할수있습니다。깊이에따른경도프로파일은시편의다양한위치에서다양한하중을측정하는방식으로만측정할수있습니다。이는시간이많이소되는과정이며,데이터분석에도많은노력이필합니다。

CSM이나QCSM방식을이용하는경우,작은진동의접촉강성이하중이가해지는동안힘진폭및변위진폭의계수로이미측정됩니다。

연속강성측정(csm)방법에서는힘신호에연속소진동을추가합니다。힘과변위진폭의비율에서는이동질량,주파수,댐핑계수를고려한약간의수정을한후압자와시편사이의접촉강성을알수있습니다。CSM방법에서는하중이가해지는동정하중은진동마다조금씩다릅니다。이로해여러진동의평균화와피드백제어가복잡해집니다。

반면,QCSM방법에서는힘이단계적으로증가하고진동이초0.5 ~ 3초사이의짧은체류시간중에만전환됩니다(QCSM방법의원리참조)。이때문에여러진동의평균화가쉬워지고피드백제어도더정확합니다。예를들어40 hz의주파수와1.4초의체류시간에측정된56개의진동이있습니다。QCSM방법에서는크리프가결과에미치는영향을줄이기위해측정된진폭의최초20%를평균에반영하지않습니다。이는점성재료에특히중합니다。

나노압흔:나노미터분해능을이용한마이크로마모조사

数据链路控制(钻石像碳:다이아몬드상탄소)코팅은높은경도,낮은마찰력,높은내식성때문에산업분야에서널리사용됩니다。실제적용조건에서수행하는산업마모시험의결과와표준시험실마모시험의결과는여전히불일치합니다。

우세한마모메커니즘을조사하고이해하기위해서는고분해능으로접촉반경0.1μm ~ 20μm이사이인단일돌기접촉을조사해야합니다。변위측정에서나노미터분해능으로1 n미만의하중범위에서마모를측정하는기술은거의존재하지않습니다。

이제그러한조사를위해고분해능가로방향력——변위측정과결합한나노압흔을사용할수있습니다。

마이크로마모시험에는가로방향력장치(LFU)가장착된만능나노기계시험기ZHN을사용합니다。

  • 시험조건:
  • 500회진동슬라이딩
  • 80μm진폭,일정한속도
  • 회당6초→26.7μm/s의속도
  • 3024초측정시간
  • 8Hz데이터속도

나노압자상세정보

시편,압자,수직항력

파라미터 필름 재료 필름두께µm 경도GPa 률GPa 항복강도GPa 푸아송 비
샘플1 a - c: H 4 14.5 120 10.9 0.2
샘플2 a-C(高sp3. 5 50.0 542 30.1 0.2
샘플3 得了 3. 15.0 170 8.8 0.2
샘플4 a - c: W (17%) 3. 14.5 140 9.5 0.2
샘플5 a-C:H(체계화됨) 4 12.2 103 9.0 0.2
  • 압자1:다이아몬드,67μm초기반경,5个力50mN ~ 1000mN
  • 압자2:다이아몬드,6μm초기반경,7力5mN ~ 200mN
  • 압자3:초경합금100μm초기반경,4个力100mN ~ 1000mN

실험방법론

과제:1시간에걸친변위측정의열적정성필한드리프트속도< 0.001="">

마모율결과약

  • 접촉압력이항복강도의약10% ~ 30%인경우,DLC코팅에대한마모는진동운동이느리고습도가약59%일때시작됩니다。
  • 접촉압력이항복강도에도달하면마모메커니즘이바뀝니다。
  • 마모율은매끄러운@ @면의접촉압력에대략비례합니다。슬라이딩운동당깊이가는0.15nm미만이므로0~2개의원자층정도입니다。마모는입자분해가없는연속절차입니다。
  • 마모는dlc를함유한수소의낮은정규화접촉압력에서시작됩니다。
  • 이런마모유형에서는높은경도수준이유리하지않습니다。동일한하중에서경질코팅의(절대)마모율은연질코팅과대략같습니다。
  • 단단한금속으로만든대응물은다이아몬드팁에비해코팅의마모율이약2.5배높습니다。
  • 조사한마모유형의경우,마모율과마찰사이에는상관관계가없습니다。

나노압흔매핑-시험

시스템의가장약한요소로하중을가하는동안의거동을측정하므로전역시험법이유리합니다。나노압자를이용한기계적성질매핑은전역특성규정을향한단계입니다。

아래는압흔이있는용융실리카시편의측정예시입니다。

반경이약10µm구형압자로용융실리카시편에여러번의압흔을가했습니다。시편스캔에도동일한압자를사용했습니다。그림2는800mN(왼쪽상단)및2x 500mN의압흔이있는유리면입니다。그보다약한힘으로가하는추가압흔은완전히탄력적입니다。200 mn의압흔1회는광학적으로인식하기어렵지만,몇나노미터의작은소성변형은측정할수있습니다。

  • 측정은15mN의접촉력을이용하여수행했습니다。주사력이상대적으로크지만접촉은완전히탄력적이며,예상되는작은마찰계수에대한가로방향력을측정하기는더쉽습니다。스캔범위는화면에서최대배율이약3350인광학이미지의경우97µm x 77.5µm의이미지크기에해당합니다。그밖의시험파라미터는다음과같습니다。
  • 45개라
  • 라당스캔시간:(고해상도)25초
  • 데이터속도8Hz
  • 오프셋10%(시동-정지효과를배제하기위해분석된범위바깥쪽양측의추가스캔길이)
  • 진동주파수40Hz
  • 진폭0.1V(변위약5nm및힘진폭0.8mN에해당)

수직항력신호를매핑하면압자가압흔안쪽으로미끄러질때는힘이낮아지고바깥쪽으로미끄러져나올때는커지므로압흔위치를분명하게감지할수있습니다。힘조절은이러한효과를상쇄할만큼빠르지않습니다。

이때200mN압흔위치에서약간의왜곡도보입니다。진동의힘진폭이나타나는경우에만유사한결과를얻을수있습니다(그림4)。

영률을측정하기위해서는접촉강성(측정된힘과변위진폭에서쉽게얻을수있음)뿐만아니라정확한압흔깊이도필요합니다。따라서변위측정을위한영점보정이필요하며,이는동일한분석창에서수행할수있습니다。용융실리카의용융실리카의률매핑결과는그림5에나와있습니다。72Gpa의예상값은압흔위치를제외한전체역에서잘얻어집니다。이때@ @면이평평하다고가정하는분석모델은정확하지않기때문에결과가너무큽니다。

다이아몬드팁과유리사이의마찰계수는가로방향력과수직항력의비율로구합니다。이는그림6과그림7에나와있습니다。압흔위치에서마찰은그림3과같이움직이는방향으로감소하고,팁이압흔밖으로이동하면증가합니다。

평평한부문에서마찰계수는0.7~0.8입니다。시편의앞부분에서만약간낮아지는데그이유는분명하지않습니다。
한번스캔하는동안제시된성질을측정했으며,2000초정도로비교적오래걸렸습니다。스캔시간을상당히줄일수있지만,더빨리진행할경우분산증가를초래할수있습니다。

나노압흔의추가응용분야

  • 연질(폴리머)에서경질(다이아몬드형코팅)로의코팅개발
  • 크랙형성또는소성변형을위한임계응력측정
  • 툴및긁힘방지용경질재료코팅
  • 유리보호코팅
  • 페트및졸겔코팅
  • 횡단면경도횡단자동측정
  • 센서및mems / nems나노코팅
  • 생체재료
  • 합금의매트릭스효과(매핑)
  • 세라믹재료및복합재
  • 이온주입@ @면
  • 마이크로일렉트로닉스손상분석

ZwickRoell은고객의모든구사항에맞는최적의시험솔루션을찾아드립니다。

우리의산업전문가들에게문의하세。

최선을다해상담해드리겠습니다。

문의하기

관련 제품

이름 유형 크기 다운로드
  • 산업별브로슈어:학계PDF4 MB
맨 위로
Baidu