Наноиндентация(англ。: Nanoindentation)
Тенденциякминиатюризацииготовыхизделийтребуеттакженаличиясоответствующихметодовопределениямеханическойнагрузочнойспособностиэтихмельчайшихэлементов。Сюдаотноситсянаноиндентация:инструментированноеиспытаниенапроникновениевнанодиапазоне。Тончайшиеслоииспытывают,кромевсегопрочего,натвердость,адгезионнуюпрочностьиизнос-总结summarum(совокупность)наноиндентации。
Многообразиенаноиндентации
Сразвитиеминновационныхтехнологийрасходматериаловнаизготовлениепостоянноснижается。Поэтойпричиненаноиндентациястановитсяпредпочтительнойтехникойдляопределениямеханическиххарактеристикматериаловнамикро——инаношкале。Испытательныесистемы——такназываемыенаноинденторы——можноиспользоватьдляпроведенияразнообразныхиспытаний:
ИзмерениетвердостиимодуляупругостипоDIN EN ISO 14577
ОбычноизмеренияпроводятсяспомощьюинденторапоБерковичусрегулированиемусилия。Возможнопроведениеоченьбыстрыхизмерений(например,нагружени10есек。, выдержка 5 сек。разгружение 4 сек.)。
Измеряемыевеличины:
- т т е вд ост т и да а ливани h它(можно пе е еводит в h .V)
- т и ердост т по о по Мартенсу HM или HMs
- мод л л л л л лива ани eit (мод л л у уп о ост)
- пол лз з с е ест и да а лива ани c它или релакса и и它
- отношениеупругойсоставляющейдеформациикработевдавливанияn它
Всего можно во во одит т более 60 вели и и。
Определение микрот т е е ед ости а а а анием
Обычноиспытанияпроводятсясосферическиминаконечникамирадиусомот5д10μом。Этопозволяетмаксимальномунапряжениюрасполагатьсяпобольшейчастивслое,аневподложке。Возможно мно о ок к с атно ое сканиро овани ие поверхности。Благодарямалойдлинецарапины,снижаютсяизноснаконечникаивлияниешероховатостиповерхности。
Измерение к ии ии напряжения/деф - о ма л и
Всотрудничествесисследовательскимцентромвг。Карлсруэбылразработанметод,позволяющийизотпечатковинденторавформешарикаопределятькомплекснуюкривуюнапряжения/деформацииметаллов。Оноснованнаиспользованиинейронныхсетейдляидентификациипараметровиучитываеттакжекинематическоеупрочнение。
Твердость по о Виккерсу
ТвердостьпоВиккерсуможнорассчитыватьизтвердостивдавливания。ПроведенноеФедеральнымведомствомпоисследованиямматериалов(BAM)наоснов20ематериаловмасштабноесравнениемеждутрадиционнойтвердостьюпоВиккерсуирассчитаннойспомощьюалгоритмовInspectorX,пересчитаннойизH它твердостипоВиккерсувыявилосреднююразницуменеечемв10%,вотличиеоту25 - 30%другихпрограммныхпакетов。
(T。Chudoba, M. Griepentrog,国际材料研究96 (2005)11 1242 - 1246]
ЗависимыеотглубиныизмеренияспомощьюмодуляQCSM
Прирегистрируемыхизмерениятвердостидляопределениятвердостивдавливания打击поDIN EN ISO 14577измеряетсякриваяусилия/глубинывдавливанияF (h)сопределенноймаксимальнойнагрузкой。Твердостьможноуказыватьтолькодлядостигнутойприэтоймаксимальнойглубины。Распределениетвердостипоглубинеможноопределитьтолькопосредствомизмеренийсразличнымиусилиямивразличныхместахобразца。Принаноиндентацииэтотспособявляетсязатратны,монсущественноувеличиваетвремянапроведениеизмеренийианализа。
ПриметодеCSMилиQCSMжесткостьрассчитываетсяужевовремянагруженияизчастногоамплитудыусилияиамплитудыперемещениямалогоколебания。
Приметоденепрерывногоизмеренияжесткости(CSM)малоеколебаниепостояннонакладываетсянастатическийсигналусилия。Соотношениеамплитудыусилияиперемещенияпосленекоторыхкорректировок,учитывающихвибрирующуюмассу、частотуикоэффициентдемпфирования,выдаетконтактнуюжесткостьмеждуиспытываемымтеломиобразцом。ПриметодеCSMстатическоеусилиевовремянагруженияприкаждомколебаниинесколькоотличается。Этоосложняетусреднениенесколькихколебанийирегулирование。
Напротив,приметодеQCSMусилиеувеличиваетсяпоэтапно,иколебаниевключаетсятольковтечениекороткоговременивыдержкипримернов0 5с- 3снакаждойступени(см。п пи н и иал н н н схему qcsm)。Благодаряэтом,уможноусреднятьнесколькоколебаний,регулированиетакжеоблегчается。Например,причастот40Гецивременивыдержки(停留时间)в1,4сизмеряется56амплитуд。ПриметодеQCSMизнихпервые20%колебанийнеучитываютсядляусреднения,чтобыснизитьвлияниеползучестинарезультат。Этоважноособенноприиспытаниивискозныхматериалов。
Наноиндентация:исследованиямикроизносасразрешениемвнанометр
Подобныеалмазууглеродныепокрытия(DLC)из——засвоейвысокойтвердости,малоготренияивысокойустойчивостиккоррозиичастонаходятприменениевпромышленности。П——порежнемусуществуютрасхождениямеждурезультатамипромышленныхиспытанийнаизносврабочихусловияхистандартныхлабораторныхиспытанийнаизнос。
,чДлятоготобыпроанализироватьипонятьпреобладающиемеханизмыизноса,необходимоисследоватьотдельныенеровностиповерхностисрадиусомконтактапримерноот0,1μмд20μомсвысокимразрешением。Практическиотсутствуюткакие——либометодуизмеренияизносавдиапазоненагружениямене1Несразрешениемвнанометрприизмеренииперемещения。
Наноиндентациявсочетаниисизмерениямипоперечногоусилия/перемещениясвысокимразрешениемтеперьпозволяетпроводитьподобныеисследования。
ДляиспытанийнамикроизносприменяетсяуниверсальнаянаномеханическаяиспытательнаясистемаZHNслатеральнойизмерительнойголовойLFU。
- Условияиспытаний:
- 500 циклов осциллирующего смещения
- амплит о да 80 μм, посто о о ост
- 6 с с а и икл→ско ост т 26、7 μм/с
- и рем м и рени 3024 с
- а ас стота пе еда ст а а анн н а 8 Гц
Образцы, инденторы, нормал но о сили
Параметры | Пленочныйматериал | Толщина пленки,µм | Твердость,ГПа | Модуль п п п о ост т, ГПа | Предел曲面曲面曲面曲面曲面曲面曲面曲面曲面曲面,ГПа | КоэффициентПуассона |
Образец1 | a - c: H | 4 | 14、5 | 120 | 10.9 | 0, 2 |
Образец2 | a-C (в о ока дол sp .3.) | 5 | 50,0 | 542 | 30日,1 | 0, 2 |
Образец3 | 得了 | 3. | 15日0 | 170 | 8、8 | 0, 2 |
Образец4 | a - c: W (17%) | 3. | 14、5 | 140 | 9、5 | 0, 2 |
Образец5 | a - c: H(структурирован) | 4 | 12日,2 | 103 | 9日0 | 0, 2 |
- Индентор1:алмазноепокрыти,еначальныйрадиус67μм,5значенийусилияот50мНд1000моН
- 2:Инденторалмазноепокрыти,еначальныйрадиус6μм,7значенийусилияот5мНд200моН
- Индентор3:твердыйсплав,начальныйрадиус100μм,4значенияусилияот100мНд1000моН
Подведение итогов результатов ско о ости износа
- Износпримедленныхколебанияхивлажностивоздухаок。50%начинаетсяупокрытийDLCвтотмомент,когдадавлениеприжимасоставляетпримерно10% - 30%пределатекучести.
- Механизмизносаменяется,когдадавлениеприжимадостигаетпределатекучести。
- Скоростьизносаугладкихповерхностейприблизительнопропорциональнадавлениюприжима。Ростглубинызаперемещениесмещениясоставляетменее0,15н,мет。тол л ко о 0 - 2 атомн сло。Износпредставляетсобойнепрерывныйпроцессбезсокращениячастиц。
- ИзносначинаетсяприболеенизкомнормализированномдавленииприжимадлясодержащихводородDLC。
- Болеевысокаятвердостьприэтомтипеизносанеявляетсяпреимуществом。Приодинаковомнагруженииа(бсолютная)скоростьизносаутвердыхпокрытийпримерносоответствуетскоростиизносаумягкихпокрытий。
- Ответныеэлементыизтвердогосплававызываютв2 5разабольшийизноспокрытий,чемалмазныенаконечники。
- Дляисследованноговидаизносасвязьмеждускоростьюизносаитрениемотсутствует。
Отображение исп о тани на наноиндент
Характеристикисистемыпринагруженииопределяютсяпосамомуслабомузвену。Поэтомуметодыизмерений,дающиеобразцуглобальнуюхарактеристику、являютсяэффективными。Отображениемеханическихсвойствпредставляетсобойшагвнаправленииглобальнойхарактеризации。
Нижепредставленпримеризмеренияобразцаизкварцевогостекласотпечатками:
наобразецизкварцевогостеклабылинанесеныотпечаткисразличнымиусилиямишариковыминденторомрадиусом10µм。Такойжеинденторбылиспользовандлясканированияобразца。Нарис。2показанаповерхностькварцевогостекласотпечатками,нанесеннымиприусилими800Н(слевавверху)и2пом500Н。Другиеотпечаткиприменьшихусилияхбыличистоупругими。Отпечаток,нанесенныйсусилиемм200Н,визуальнопрактическинезаметен,однакоонуказываетнапластичнуюдеформациювнескольконанометров。
- Измеренияпроводилисьсусилиемконтактав15мН。Притакомотносительнобольшомсканирующемусилииконтактявляетсячистоупругим,идажеприоченьмалыхкоэффициентахтренияразрешенияещедостаточноприизмерениилатеральногоусилия。Зонасканированиясоответствуетразмеруизображенияоптикив97µмx 77, 5µмвнаивысшемувеличениив3350разнаэкране。Другие изм ме е е ем и и и параметры:
- 45строк
- Времясканированиянастроку:25сдлявысокогоразрешения
- Частота переда а а а анн 8 Гц
- Смещение10%(дополнительнаядлинасканированиясобеихсторонвнепредставленнойзоны,чтобыисключитьэффектызапуска/остановки)
- Частота колебани к 40 Гц
- Амплитуда0,1В(примерносоответствуетамплитудеперемещения5нмиамплитудеусилия0 8мН)
Наосновеотображениянормальногоусилияможнохорошоотслеживатьпозицииотпечатков,тк。усилиепривходевотпечатокпадает,апривыходерастет。Системарегулированиянедостаточнобыстра,чтобыкомпенсироватьэтотэффект。
Здесьтакжевиденлегкийдефектпринанесенииотпечаткасусилиемм200Н。Такаяжекартинаполучается,еслиотображатьтолькоамплитудуколебанияусилия(рис。4).
ДляопределенияЕ——модулятребуетсянетолькожесткостьконтакта-которуюможнолегкоопределитьизизмереннойамплитудыусилияиперемещения——ноикорректнаяглубинавдавливания。Дляэтогонеобходимакорректировканулевойточки,которуюможнопровестивтомжеокнеанализа。РезультатотображенияЕ——модулякварцевогостеклапоказаннарис。5.Ожидаемоезначениев72Падостаточнохорошодостигаетсяповсейповерхностизаисключениемпозицийотпечатков。Таммодельанализанесоответствуетровнойповерхности,поэтомуполучаютсяслишкомвысокиезначения。
Коэффициенттрениямеждуалмазнымнаконечникомикварцевымстекломрассчитываетсяизсоотношениялатеральногоусилияинормальногоусилия。Это предста а ено н н ис。7. .На отпе т атка ан он (а На ло о и и н)。3)сначалападаетвнаправленииперемещения,чтобыпотомпривыходеизуглублениясновавырасти。
В ие лом ко ко ко ко и и иен иен и оста л л ет 0,7 - 0,8。Тольковпереднейзонеобразцавпределаходнойполосыоннесколькониже。Причина т то о о о не и с стна。
Измерениявсехпредставленныххарактеристикпроводилисьвтечениеодногосканирования,котороебыло,однако,достаточнодлительнымп(римернос)2000。Сокращение в емени сканировани возможно。Однакоиз——заболеебыстрогоперемещениявозможноувеличениепомехприрасчетерезультатов。
Другие област т п им менени н на аноиндента ни и
- Разработкапокрытий:отмягких(полимеры)дотвердых(алмазоподобные)
- Определениекритическихнапряженийдляобразованиятрещинилипластическойдеформации
- Твердыепокрытиядляинструментовивкачествезащитыотцарапин
- Защитные покр р т ти н на стекл нн издели
- Лаки зол л - ел -пок ти
- Автоматизированноеизмерениепрофильногопрохождениянапоперечныхшлифах
- Нанопокрытия дл датчиков mems / nems
- Биологическиематериалы
- Матричные эффекты в спла а а а (отображение)
- Керамические материалы Керамические материалы композиты
- Поверхности с ионно к импланта н ие т
- Анализ повреждений в ми икро ов лектроник