周期的ナノインデンテーションによる応力－ひずみ測定

ナノインデンテーションによる連続剛性測定（CSM）は、侵襲性の低い方法で材料の応力－ひずみ関係を明らかにします。従来の引張試験とは異なり、ナノインデンテーションは大型の装置を必要とせずにナノスケールの応力－ひずみデータを提供します。応力－ひずみ曲線は、試料に加わる荷重が増えるにつれて弾性挙動と塑性挙動の境界に関する重要な情報を与えます。CSMにより、危険な設備を使わずに材料の降伏応力を求めることができます。

ナノインデンテーションは、応力－ひずみデータをすばやく調べられる、信頼性が高く使いやすい手法です。さらに、ナノスケールで応力－ひずみ挙動を測定することで、材料が高度化するなかで小さなコーティングや材料中の粒子の重要な特性を調べることができます。ナノインデンテーションは、硬さ、弾性率、クリープ、破壊靭性などに加えて、弾性限界や降伏強さの情報も得られる多用途な計測装置です。

本研究でナノインデンテーションから得た応力－ひずみデータは、表面から1.2ミクロンしか侵入せずに材料の弾性限界を特定しています。CSMを用いて、圧子が表面の奥深くへ進むにつれて材料の機械的特性がどう変化するかを求めます。これは、特性が深さに依存しうる薄膜用途で特に有用です。ナノインデンテーションは、試験試料の材料特性を確認するための侵襲性の低い方法です。

CSM試験は、深さに対する材料特性の測定に役立ちます。一定荷重で周期的な試験を行えば、より複雑な材料特性を求めることもできます。これは疲労の研究や、気孔の影響を除いて真の弾性率を得るのに有用です。

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以下の押し込み条件を使用しました。

振動中に荷重を増加させることで、次の深さ－荷重曲線が得られます。圧子が材料に侵入する過程の応力－ひずみデータを求めるため、負荷中に100回を超える振動を加えました。

各サイクルで得られた情報から応力とひずみを求めました。各サイクルの最大荷重と深さから、そのサイクルで材料に加わった最大応力を算出できます。ひずみは、部分除荷後の各サイクルの残留深さから算出します。これにより残留圧痕の半径を求め、それをチップ半径で割ってひずみ係数を得ます。材料の応力をひずみに対してプロットすると、弾性域と塑性域、および対応する弾性限界応力がわかります。試験の結果、材料の弾性域と塑性域の遷移はひずみ約0.076で、弾性限界は1.45 GPaと求められました。

各サイクルが1回の押し込みとして働くため、荷重を増やしながら鋼のさまざまな制御された深さで試験を行うことになります。そのため、各サイクルで得たデータから、深さに対する硬さと弾性率を直接プロットできます。

圧子が材料内に進むにつれて、硬さは増加し、弾性率は低下します。

NANOVEA機械特性試験機が信頼性の高い応力－ひずみデータを提供することを示しました。球形チップとCSM押し込みを組み合わせることで、増加する応力下での材料特性を測定できます。荷重と圧子半径を変えることで、さまざまな材料を制御された深さで試験できます。NANOVEA機械特性試験機は、サブmNから400Nまでの押し込み試験を提供します。