計装化押込み試験でわかること
硬さと剛性は、材料が擦り傷、摩耗、変形、接触損傷にどれだけ耐えるかを決めます。計装化押込み試験は、薄膜、コーティング、単一の結晶粒、高分子表面、生体組織といった、まさに必要なスケールで両方を測定します。試験中ずっと荷重と深さを記録するため、各圧痕から弾性回復、保持中のクリープ、割れやポップインなどの現象もわかります。
試験の流れ
- 圧子が表面に近づき、接触を検出します。
- 荷重を制御された速度で設定最大値まで増加させます。独立した深さセンサーが押込み深さを常に記録します。
- 荷重を保持し（多くはクリープを落ち着かせるため）、深さを記録したまま除荷します。
- ソフトウェアが除荷曲線を解析して接触剛性と接触深さを求め、押込み硬さと弾性率を算出します。
これをグリッド状に繰り返すと特性マップが得られます。位置制御は0.2 µmで、NANOVEAの高速マッピング研究では0.20 mm²に625点の押込みを行い、セラミックスの結晶粒と気孔を明らかにしました。
ナノとマイクロを1台で
NANOVEAの機械特性試験機はナノ・マイクロの荷重モジュールを搭載でき、合わせて5桁の荷重範囲をカバーします。ナノモジュールはmN荷重で薄膜、軟らかい材料、個々の相を測定します。マイクロモジュールは従来の微小硬さ試験機に代わるもので、1台で0.3 g〜2 kgまたは6 g〜40 kgをカバーします。NANOVEAのマイクロモジュールの研究では、CB500で鋼に0.03 Nから200 Nのビッカース押込みを行いました。
測定構造が重要な理由
荷重は垂直に加えられ、横方向の動きやコンプライアンスを生むカンチレバーや支点はありません。荷重はアクチュエーターから独立したロードセルで測定します。深さは静電容量式センサーで測定します。2つのセンサーが真のクローズドループを構成するため、材料がクリープしている間でも、設定した荷重が実際にかかります。
圧子の形状
- バーコビッチ： ナノインデンテーションの標準圧子。3つの面が1点で交わり、浅い深さでも鋭さを保ちます。
- ビッカース： 四角錐。従来の試験機と比較できる微小硬さに使います。
- ヌープ： 細長い形状で圧痕が浅く、薄い層や異方性の測定に適しています。
- 円錐・球形： 軟らかい材料や、弾性接触から塑性接触へのゆるやかな移行が役立つ応力-ひずみ解析に使います。
使用環境での試験
硬さと弾性率は、温度、水分、浸漬によって変化し、特に高分子で顕著です。NANOVEAの湿度制御研究では、相対湿度が25%から75%に上がるにつれて高分子フィルムの硬さが約0.60 GPaから0.31 GPaに低下し、クリープ深さも増加しました。環境モジュールにより、同じ測定を高温、低温、高湿度、液中、真空で行えます。
