アプリケーションノート

ナノインデンテーションの重要性

で得られる連続剛性測定（CSM）。 ナノインデンテーション は、低侵襲な方法で材料の応力-歪み関係を明らかにします。従来の引張試験法とは異なり、ナノインデンテーションでは、大きな装置を必要とせずに、ナノスケールでの応力-歪みデータを得ることができます。応力-歪み曲線は、試料にかかる荷重が増加するにつれて、弾性挙動と塑性挙動の間の閾値に関する重要な情報を提供します。CSMは、危険な装置を使わずに材料の降伏応力を測定することができます。

ナノインデンテーションは、応力-ひずみデータを迅速に調査するための、信頼性が高く使いやすい方法を提供します。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、材料の微細なコーティングや粒子について、重要な特性をより高度に研究することが可能になります。ナノインデンテーションは、硬度、弾性係数、クリープ、破壊靭性などに加えて、弾性限界と降伏強度の情報を提供し、多目的な計測機器となっています。

この研究で得られたナノインデンテーションによる応力-ひずみデータは、表面からわずか1.2ミクロンの深さまで入りながら、材料の弾性限界を特定するものです。私たちはCSMを用いて、圧子が表面に深く入り込むにつれて材料の機械的特性がどのように変化するかを調べています。これは、特性が深さに依存する可能性がある薄膜アプリケーションで特に有用です。ナノインデンテーションは、試験片の材料特性を確認するための最小限の侵襲的な方法です。

CSM試験は、深さに対する材料特性の測定に有効です。より複雑な材料特性を測定するために、一定の荷重で繰り返し試験を実施することができます。これは、疲労の研究や、多孔性の影響を排除して真の弾性率を求めるのに有効です。

測定目的

このアプリケーションでは、ナノベアメカニカルテスターがCSMを使用して、標準的なスチールサンプルの硬度と弾性率の対深度および応力-歪みデータを調査しています。鋼鉄は、ナノスケールの応力-ひずみデータの制御と精度を表示するために、一般的に認識されている特性から選択されました。鋼鉄の弾性限界を超える十分な高応力に到達するため、半径5ミクロンの球状チップを使用しました。

試験条件と手順

以下の圧痕パラメータを使用した。

結果

振動中に荷重を増加させると、次のような深さ対荷重の曲線が得られます。圧子が材料を貫通する際の応力-歪みデータを求めるため、荷重をかけながら100回以上振動させた。

各サイクルで得られた情報から、応力とひずみを求めた。各サイクルでの最大荷重と深さから、各サイクルで材料に加わる最大応力を計算することができます。ひずみは、部分的な除荷による各サイクルでの残留深さから計算します。これにより、残留インプリントの半径を先端の半径で割って、ひずみ係数を算出することができます。材料の応力とひずみをプロットすると、弾性領域と塑性領域、それに対応する弾性限界応力が表示されます。私たちのテストでは、材料の弾性ゾーンと塑性ゾーンの間の移行は約0.076ひずみで、1.45GPaの弾性限界であることが判明しました。

各サイクルが1つのくぼみとして機能するため、荷重を増加させながら、鋼のさまざまな制御された深さで試験を実施します。そのため、各サイクルごとに得られたデータから、深さに対する硬度と弾性率を直接プロットすることができます。

圧子が材料に入り込むと、硬度が上がり、弾性率が下がることがわかります。

結論

ナノベアメカニカルテスター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。CSM圧痕を持つ球状チップを使用することで、応力が増加した状態での材料特性の測定が可能です。荷重と圧子半径を変更することで、様々な材料を制御された深さで試験することが可能です。ナノベアーのメカニカルテスターは、サブmNレンジから400Nまで、これらの圧痕試験を提供します。