주기적 나노인덴테이션을 이용한 응력-변형률 측정

나노인덴테이션으로 얻은 연속 강성 측정(CSM)은 최소 침습적인 방법으로 재료의 응력-변형률 관계를 밝혀 줍니다. 기존의 인장 시험과 달리 나노인덴테이션은 대형 장비 없이도 나노 스케일의 응력-변형률 데이터를 제공합니다. 응력-변형률 곡선은 시료에 가해지는 하중이 증가할 때 탄성 거동과 소성 거동의 경계에 관한 중요한 정보를 제공합니다. CSM을 사용하면 위험한 설비 없이 재료의 항복 응력을 결정할 수 있습니다.

나노인덴테이션은 응력-변형률 데이터를 빠르게 조사할 수 있는 신뢰성 높고 사용하기 쉬운 방법입니다. 또한 나노 스케일에서 응력-변형률 거동을 측정하면, 재료가 고도화됨에 따라 작은 코팅과 재료 내 입자의 중요한 특성을 연구할 수 있습니다. 나노인덴테이션은 경도, 탄성률, 크리프, 파괴 인성 등에 더해 탄성 한계와 항복 강도 정보도 제공하는 다목적 계측 장비입니다.

이 연구에서 나노인덴테이션으로 얻은 응력-변형률 데이터는 표면으로 1.2마이크론만 들어가면서 재료의 탄성 한계를 파악합니다. CSM을 사용해 압자가 표면 속으로 더 깊이 들어갈 때 재료의 기계적 특성이 어떻게 변하는지 확인합니다. 이는 특성이 깊이에 따라 달라질 수 있는 박막 응용에서 특히 유용합니다. 나노인덴테이션은 시험 시료의 재료 특성을 확인하는 최소 침습적인 방법입니다.

CSM 시험은 깊이에 따른 재료 특성 측정에 유용합니다. 일정 하중에서 주기적 시험을 수행하면 더 복잡한 재료 특성도 구할 수 있습니다. 이는 피로 연구나 기공의 영향을 제거해 실제 탄성률을 얻는 데 유용합니다.

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다음 압입 조건을 사용했습니다.

진동 중 하중을 증가시키면 다음과 같은 깊이-하중 곡선이 얻어집니다. 압자가 재료에 침투하는 동안의 응력-변형률 데이터를 구하기 위해 부하 중 100회 이상의 진동을 가했습니다.

각 사이클에서 얻은 정보로 응력과 변형률을 구했습니다. 각 사이클의 최대 하중과 깊이로 그 사이클에서 재료에 가해진 최대 응력을 계산할 수 있습니다. 변형률은 부분 제하 후 각 사이클의 잔류 깊이로 계산합니다. 이를 통해 잔류 압흔의 반경을 구하고, 이를 팁 반경으로 나누어 변형률 계수를 얻습니다. 재료의 응력을 변형률에 대해 그리면 탄성 영역과 소성 영역, 그리고 해당 탄성 한계 응력이 나타납니다. 시험 결과 재료의 탄성 영역과 소성 영역 사이의 전이는 변형률 약 0.076, 탄성 한계는 1.45 GPa로 확인되었습니다.

각 사이클이 한 번의 압입처럼 작용하므로, 하중을 높여 가면서 강의 여러 제어된 깊이에서 시험을 수행하게 됩니다. 따라서 각 사이클에서 얻은 데이터로 깊이에 따른 경도와 탄성률을 직접 그릴 수 있습니다.

압자가 재료 속으로 들어갈수록 경도는 증가하고 탄성률은 감소합니다.

NANOVEA 기계적 물성 시험기가 신뢰성 높은 응력-변형률 데이터를 제공함을 보여 주었습니다. 구형 팁과 CSM 압입을 함께 사용하면 증가하는 응력하에서 재료 특성을 측정할 수 있습니다. 하중과 압자 반경을 바꿔 다양한 재료를 제어된 깊이에서 시험할 수 있습니다. NANOVEA 기계적 물성 시험기는 sub mN 범위부터 400N까지 이러한 압입 시험을 제공합니다.