Kategoria: Testy mechaniczne

Nanoindentacja wielofazowa metali

Badanie metalurgiczne materiału wielofazowego z wykorzystaniem nanoindentacji

Dowiedz się więcej

STUDIUM METALURGII
MATERIAŁU WIELOFAZOWEGO

PRZY UŻYCIU NANOINDENTACJI

Przygotowane przez

DUANJIE LI, dr & ALEKSIS CELESTIN

WPROWADZENIE

Metalurgia bada fizyczne i chemiczne zachowanie pierwiastków metalicznych, jak również ich związków międzymetalicznych i stopów. Metale, które poddawane są procesom obróbki, takim jak odlewanie, kucie, walcowanie, wyciskanie i obróbka mechaniczna, doświadczają zmian w swoich fazach, mikrostrukturze i teksturze. Zmiany te powodują zróżnicowanie właściwości fizycznych, w tym twardości, wytrzymałości, ciągliwości i odporności na zużycie materiału. Metalografia jest często stosowana w celu poznania mechanizmu powstawania takich specyficznych faz, mikrostruktury i tekstury.

ZNACZENIE LOKALNYCH WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNYCH WŁAŚCIWOŚCI DLA PROJEKTOWANIA MATERIAŁÓW

Zaawansowane materiały często składają się z wielu faz o specjalnej mikrostrukturze i teksturze, aby osiągnąć pożądane właściwości mechaniczne dla docelowych zastosowań w praktyce przemysłowej. Nanoindentacja jest szeroko stosowany do pomiaru mechanicznych zachowań materiałów w małych skalach ^{i ii}. Jednakże, precyzyjne wybranie określonych miejsc do wgłębiania w bardzo małym obszarze jest trudne i czasochłonne. Niezawodna i przyjazna dla użytkownika procedura badań nanoindentacyjnych jest potrzebna do określenia właściwości mechanicznych różnych faz materiału z wysoką precyzją i terminowością pomiarów.

CEL POMIARU

W tej aplikacji mierzymy właściwości mechaniczne wielofazowej próbki metalurgicznej przy użyciu najpotężniejszego testera mechanicznego: NANOVEA PB1000.

Tutaj pokazujemy możliwości PB1000 w wykonywaniu pomiarów nanoindentacyjnych na wielu fazach (ziarnach) dużej powierzchni próbki z wysoką precyzją i łatwością obsługi przy użyciu naszego zaawansowanego kontrolera położenia.

NANOVEA

PB1000

WARUNKI BADANIA

W tej pracy wykorzystano próbkę metalurgiczną z wieloma fazami. Próbka została wypolerowana do lustrzanego wykończenia powierzchni przed przeprowadzeniem testów wgłębnych. W próbce zidentyfikowano cztery fazy, a mianowicie FAZĘ 1, FAZĘ 2, FAZĘ 3 i FAZĘ 4, jak pokazano poniżej.

Advanced Stage Controller to intuicyjne narzędzie do nawigacji po próbce, które automatycznie dostosowuje prędkość poruszania się próbki pod mikroskopem optycznym na podstawie pozycji myszy. Im bardziej mysz jest oddalona od centrum pola widzenia, tym szybciej scena porusza się w kierunku wskazanym przez mysz. Zapewnia to przyjazną dla użytkownika metodę nawigacji po całej powierzchni próbki i wyboru zamierzonego miejsca do badań mechanicznych. Współrzędne miejsc testowych są zapisywane i numerowane, wraz z ich indywidualnymi ustawieniami testowymi, takimi jak obciążenia, szybkość ładowania/rozładowywania, liczba testów w mapie, itp. Taka procedura badawcza pozwala użytkownikom zbadać dużą powierzchnię próbki pod kątem konkretnych obszarów zainteresowania wgłębianiem i wykonać wszystkie testy wgłębiania w różnych miejscach w jednym czasie, co czyni go idealnym narzędziem do badań mechanicznych próbek metalurgicznych z wieloma fazami.

W tej pracy zlokalizowaliśmy poszczególne fazy próbki pod mikroskopem optycznym zintegrowanym z NANOVEA Tester mechaniczny według numeracji na RYSUNEK 1. Współrzędne wybranych miejsc są zapisywane, po czym następują automatyczne testy nanoindentacji wszystkie naraz w warunkach testowych podsumowanych poniżej

RYSUNEK 1: WYBÓR MIEJSCA NANOINDENTACJI NA POWIERZCHNI PRÓBKI.

WYNIKI: NANOINDENTACJE NA RÓŻNYCH FAZACH

Wgłębienia w różnych fazach próbki są wyświetlane poniżej. Wykazaliśmy, że doskonała kontrola położenia stopnia próbki w NANOVEA Tester mechaniczny pozwala użytkownikom precyzyjnie wskazać lokalizację docelową w celu przeprowadzenia badania właściwości mechanicznych.

Reprezentatywne krzywe obciążenie-przemieszczenie wgłębień przedstawiono w RYSUNEK 2oraz odpowiednią twardość i moduł Younga obliczone metodą Olivera i Pharraⁱⁱⁱ są podsumowane i porównane w RYSUNEK 3.

Na stronie FAZY 1, 2, 3 oraz 4 posiadają średnią twardość odpowiednio ~5,4, 19,6, 16,2 i 7,2 GPa. Stosunkowo niewielki rozmiar dla FAZY 2 przyczynia się do jego większego odchylenia standardowego wartości twardości i modułu Younga.

RYSUNEK 2: KRZYWE OBCIĄŻENIE-PRZEMIESZCZENIE
NANOINDENTACJI

RYSUNEK 3: TWARDOŚĆ I MODUŁ YOUNGA RÓŻNYCH FAZ

PODSUMOWANIE

W tym badaniu, zaprezentowaliśmy NANOVEA Mechanical Tester wykonujący pomiary nanoindentacyjne na wielu fazach dużej próbki metalurgicznej przy użyciu zaawansowanego sterownika Stage Controller. Precyzyjna kontrola pozycji pozwala użytkownikom na łatwe poruszanie się po dużej powierzchni próbki i bezpośrednie wybieranie obszarów zainteresowania do pomiarów nanoindentacyjnych.

Współrzędne położenia wszystkich wgłębień są zapisywane, a następnie wykonywane sukcesywnie. Taka procedura badawcza sprawia, że pomiar lokalnych właściwości mechanicznych w małych skalach, np. wielofazowej próbki metalu w tej pracy, jest znacznie mniej czasochłonny i bardziej przyjazny dla użytkownika. Twarde FAZY 2, 3 i 4 poprawiają właściwości mechaniczne próbki, posiadając średnią twardość odpowiednio ~19,6, 16,2 i 7,2 GPa, w porównaniu do ~5,4 GPa dla FAZY 1.

Moduły Nano, Micro i Macro urządzenia zawierają tryby pracy zgodne z normami ISO i ASTM - wgłębianie, zarysowanie i ścieranie, zapewniając najszerszy i najbardziej przyjazny użytkownikowi zakres badań dostępny w jednym systemie. Niezrównany zakres badań NANOVEA stanowi idealne rozwiązanie do wyznaczania pełnego zakresu właściwości mechanicznych cienkich lub grubych, miękkich lub twardych powłok, filmów i podłoży, w tym twardości, modułu Younga, odporności na pękanie, przyczepności, odporności na ścieranie i wielu innych.

i Oliver, W. C.; Pharr, G. M., Journal of Materials Research, Volume 19, Issue 1, Jan 2004, pp.3-20
ii Schuh, C.A., Materials Today, Volume 9, Issue 5, May 2006, pp. 32-40
iii Oliver, W. C.; Pharr, G. M., Journal of Materials Research, Volume 7, Issue 6, June 1992, pp.1564-1583

TERAZ POROZMAWIAJMY O TWOJEJ APLIKACJI

LIVE CHAT

Ceramika: Szybkie mapowanie metodą nanoindentacji do wykrywania ziaren

WPROWADZENIE

Nanoindentacja stała się szeroko stosowaną techniką pomiaru zachowań mechanicznych materiałów w małych skalach^{i ii}. Krzywe przemieszczenia obciążenia o wysokiej rozdzielczości uzyskane z pomiaru nanowcięcia mogą zapewnić różnorodne właściwości fizykomechaniczne, w tym twardość, moduł Younga, pełzanie, odporność na pękanie i wiele innych.

Znaczenie szybkiego mapowania wcięć

Istotnym wąskim gardłem w dalszej popularyzacji techniki nanoindentacji jest czasochłonność. Mapowanie właściwości mechanicznych za pomocą konwencjonalnej procedury nanoindentacji może z łatwością zająć wiele godzin, co utrudnia zastosowanie tej techniki w branżach produkcji masowej, takich jak półprzewodniki, przemysł lotniczy, MEMS, produkty konsumenckie, takie jak płytki ceramiczne i wiele innych.

Szybkie mapowanie może okazać się niezbędne w branży produkcji płytek ceramicznych. Mapowania twardości i modułu Younga na pojedynczej płytce ceramicznej mogą przedstawić rozkład danych wskazujący, jak jednorodna jest powierzchnia. Na tej mapie można obrysować bardziej miękkie obszary na kafelku i pokazać lokalizacje bardziej podatne na awarie spowodowane uderzeniami fizycznymi, które zdarzają się codziennie w czyimś miejscu zamieszkania. Mapowania można dokonać na różnych typach płytek do badań porównawczych oraz na partii podobnych płytek w celu pomiaru spójności płytek w procesach kontroli jakości. Kombinacja konfiguracji pomiarów może być obszerna, a także dokładna i wydajna dzięki metodzie szybkiego mapowania.

CEL POMIARU

W tym badaniu, Nanovea Tester mechaniczny, w trybie FastMap służy do mapowania właściwości mechanicznych płytki podłogowej przy dużych prędkościach. Pokazujemy możliwości testera mechanicznego Nanovea w wykonywaniu dwóch szybkich mapowań nanoindentacji z dużą precyzją i powtarzalnością.

Warunki badania

Tester mechaniczny Nanovea został użyty do wykonania serii nanoodcisków w trybie FastMap na płytce podłogowej przy użyciu wgłębnika Berkovicha. Parametry testu podsumowano poniżej dla utworzonych dwóch macierzy wcięć.

Tabela 1: Podsumowanie parametrów testowych.

WYNIKI I DYSKUSJA 

Rysunek 1: Widoki 2D i 3D mapowania twardości z 625 wcięciami.

Rysunek 2: Mikrofotografia matrycy o 625 wcięciach przedstawiająca ziarno.

Matrycę o 625 wcięciach wykonano na grubości 0,20 mm² obszar z dużym widocznym ziarnem. Ziarno to (rys. 2) miało średnią twardość mniejszą niż całkowita powierzchnia płytki. Oprogramowanie Nanovea Mechanical umożliwia użytkownikowi obejrzenie mapy rozkładu twardości w trybie 2D i 3D, jak przedstawiono na rysunku 1. Dzięki precyzyjnej kontroli położenia stolika próbki, oprogramowanie umożliwia użytkownikom dokładne namierzenie takich obszarów mapowanie właściwości mechanicznych.

Rysunek 3: Widok 2D i 3D mapowania twardości z 1600 wcięciami.

Rysunek 4: Mikrofotografia matrycy o 1600 wcięciach.

Na tej samej płytce utworzono również matrycę o 1600 wcięciach, aby zmierzyć jednorodność powierzchni. Tutaj ponownie użytkownik ma możliwość zobaczenia rozkładu twardości w trybie 3D lub 2D (rysunek 3), a także obrazu mikroskopowego wciętej powierzchni. Na podstawie przedstawionego rozkładu twardości można stwierdzić, że materiał jest porowaty ze względu na równomierne rozproszenie punktów danych o wysokiej i niskiej twardości.

W porównaniu z konwencjonalnymi procedurami nanoindentacji, tryb FastMap w tym badaniu jest znacznie mniej czasochłonny i bardziej opłacalny. Umożliwia szybkie ilościowe mapowanie właściwości mechanicznych, w tym twardości i modułu Younga, oraz zapewnia rozwiązanie do wykrywania ziaren i konsystencji materiału, co ma kluczowe znaczenie dla kontroli jakości różnorodnych materiałów w produkcji masowej.

PODSUMOWANIE

W tym badaniu zaprezentowaliśmy możliwości testera mechanicznego Nanovea w wykonywaniu szybkiego i precyzyjnego mapowania nanoindentacji przy użyciu trybu FastMap. Mapy właściwości mechanicznych na płytce ceramicznej wykorzystują kontrolę położenia (z dokładnością do 0,2 µm) stopni i czułość modułu siły w celu wykrywania ziaren powierzchniowych i pomiaru jednorodności powierzchni z dużą prędkością.

Parametry testowe zastosowane w tym badaniu zostały określone na podstawie wielkości matrycy i materiału próbki. Można wybrać różne parametry testu, aby zoptymalizować całkowity czas cyklu wcięcia do 3 sekund na wcięcie (lub 30 sekund na każde 10 wgłębień).

Wszystkie moduły Nano i Micro testera mechanicznego Nanovea obejmują tryby testowania wcięć, zarysowań i zużycia zgodne z normami ISO i ASTM, zapewniając najszerszy i najbardziej przyjazny dla użytkownika zakres testów dostępny w jednym systemie. Niezrównany asortyment Nanovea to idealne rozwiązanie do określania pełnego zakresu właściwości mechanicznych cienkich lub grubych, miękkich lub twardych powłok, folii i podłoży, w tym twardości, modułu Younga, odporności na pękanie, przyczepności, odporności na zużycie i wielu innych.

Ponadto dostępny jest opcjonalny bezkontaktowy profiler 3D i moduł AFM do obrazowania 3D w wysokiej rozdzielczości wgnieceń, zarysowań i śladów zużycia, a także innych pomiarów powierzchni, takich jak chropowatość.

Autor: dr Duanjie Li. Poprawili: Pierre Leroux i Jocelyn Esparza

Ocena twardości tkanek biologicznych za pomocą nanoindentacji

Znaczenie nanoindentacji tkanek biologicznych

Tradycyjne testy mechaniczne (twardość, przyczepność, ściskanie, przebicie, granica plastyczności, itp.) wymagają większej precyzji i niezawodności w dzisiejszych środowiskach kontroli jakości, w których stosuje się szeroki zakres zaawansowanych materiałów, od tkanek do materiałów kruchych. Tradycyjne oprzyrządowanie mechaniczne nie jest w stanie zapewnić czułej kontroli obciążenia i rozdzielczości wymaganej dla zaawansowanych materiałów. Wyzwania związane z biomateriałami wymagają opracowania testów mechanicznych umożliwiających dokładną kontrolę obciążenia w przypadku materiałów wyjątkowo miękkich. Materiały te wymagają zastosowania bardzo niskich obciążeń sub mN z dużym zakresem głębokości w celu zapewnienia prawidłowego pomiaru właściwości. Ponadto, wiele różnych rodzajów badań mechanicznych może być wykonywanych na jednym urządzeniu, co pozwala na uzyskanie większej funkcjonalności. Umożliwia to wykonanie szeregu ważnych pomiarów biomateriałów, w tym twardości, modułu sprężystości, modułu stratności i przechowywania oraz pełzania, a także odporności na zarysowania i granicy plastyczności.

 

Cel pomiaru

W tej aplikacji tester mechaniczny Nanovea w trybie nanoindentacji jest wykorzystywany do badania twardości i modułu sprężystości 3 oddzielnych obszarów substytutu biomateriału na regionach tłuszczu, jasnego mięsa i ciemnego mięsa prosciutto.

Nanoindentacja oparta jest na normach ASTM E2546 i ISO 14577. W badaniach wykorzystuje się metody, w których końcówka wgłębnika o znanej geometrii wbijana jest w określone miejsce badanego materiału z kontrolowanym wzrostem obciążenia normalnego. Po osiągnięciu zadanej głębokości maksymalnej, obciążenie normalne jest zmniejszane aż do całkowitego odprężenia. Obciążenie jest przykładane przez piezoelektryczny siłownik i mierzone w kontrolowanej pętli za pomocą ogniwa obciążnikowego o wysokiej czułości. Podczas eksperymentów pozycja wgłębnika względem powierzchni próbki jest monitorowana za pomocą precyzyjnego czujnika pojemnościowego. Uzyskane krzywe obciążenia i przemieszczenia dostarczają danych charakterystycznych dla mechanicznej natury badanego materiału. Opracowane modele obliczają ilościowe wartości twardości i modułów na podstawie zmierzonych danych. Nanoindentacja jest odpowiednia do pomiarów przy niskim obciążeniu i głębokości penetracji w skali nanometrów.

Wyniki i dyskusja

W poniższych tabelach przedstawiono zmierzone wartości twardości i modułu Younga ze średnimi i odchyleniami standardowymi. Duża chropowatość powierzchni może powodować duże różnice w wynikach ze względu na małą wielkość wgłębienia.

Obszar tłuszczu miał około połowy twardości obszarów mięsnych. Obróbka mięsa spowodowała, że ciemniejsza część mięsa była twardsza niż jasna. Moduł sprężystości i twardość są w bezpośrednim związku z odczuwaną w ustach gryznością części tłuszczowej i mięsnej. Tłuszcz i jasna część mięsa po 60 sekundach pełzają w większym tempie niż ciemne mięso.

Wyniki szczegółowe - Tłuszcz

Szczegółowe wyniki - Mięso jasne

Szczegółowe wyniki - Mięso ciemne

Wniosek

W tej aplikacji Nanovea tester mechaniczny w trybie nanoindentacji wiarygodnie określił właściwości mechaniczne obszarów tłuszczu i mięsa, pokonując jednocześnie dużą chropowatość powierzchni próbki. Pokazało to szerokie i niezrównane możliwości testera mechanicznego Nanovea. System zapewnia jednocześnie precyzyjne pomiary właściwości mechanicznych niezwykle twardych materiałów i miękkich tkanek biologicznych.

Ogniwo obciążające w zamkniętej pętli sterowania ze stolikiem piezoelektrycznym zapewnia precyzyjny pomiar twardych lub miękkich materiałów żelowych od 1 do 5kPa. Przy użyciu tego samego systemu możliwe jest badanie biomateriałów przy wyższych obciążeniach do 400N. Obciążenie wielocyklowe może być stosowane do badań zmęczeniowych, a informacje o granicy plastyczności w każdej strefie można uzyskać za pomocą płaskiej cylindrycznej końcówki diamentowej. Dodatkowo, dzięki dynamicznej analizie mechanicznej (DMA), można z dużą dokładnością ocenić właściwości lepkosprężyste, utratę właściwości i moduł magazynowania, wykorzystując zamkniętą pętlę kontroli obciążenia. Badania w różnych temperaturach i pod wpływem cieczy są również dostępne w tym samym systemie.

Tester mechaniczny firmy Nanovea nadal stanowi doskonałe narzędzie do zastosowań biologicznych i miękkich polimerów/żeli.

TERAZ POROZMAWIAJMY O TWOJEJ APLIKACJI

LIVE CHAT

Ocena twardości zębów za pomocą nanoindentacji

Znaczenie nanoindentacji dla materiałów biologicznych

 
W przypadku wielu tradycyjnych testów mechanicznych (twardość, przyczepność, ściskanie, przebicie, granica plastyczności itp.), dzisiejsze środowiska kontroli jakości z zaawansowanymi materiałami wrażliwymi, od żeli po materiały kruche, wymagają obecnie większej precyzji i kontroli niezawodności. Tradycyjne oprzyrządowanie mechaniczne nie zapewnia wymaganej czułej kontroli obciążenia i rozdzielczości; zaprojektowane do stosowania w materiałach sypkich. Ponieważ wielkość badanego materiału stała się coraz bardziej interesująca, opracowane zostały następujące rozwiązania Nanoindentacja zapewniły niezawodną metodę uzyskiwania istotnych informacji mechanicznych na mniejszych powierzchniach, takich jak badania prowadzone na biomateriałach. Wyzwania związane z biomateriałami wymagały opracowania testów mechanicznych zdolnych do dokładnej kontroli obciążenia na materiałach od bardzo miękkich do kruchych. Ponadto do przeprowadzania różnych testów mechanicznych potrzebnych jest wiele urządzeń, które obecnie mogą być wykonywane w jednym systemie. Nanoindentacja zapewnia szeroki zakres pomiarów z precyzyjną rozdzielczością przy obciążeniach kontrolowanych w skali nano dla wrażliwych zastosowań.

 

 

Cel pomiaru

W tym zastosowaniu Nanovea Tester mechanicznyw trybie Nanoindentation służy do badania twardości i modułu sprężystości zębiny, próchnicy i miazgi zęba. Najbardziej krytycznym aspektem testów nanoindentacyjnych jest zabezpieczenie próbki. W tym przypadku pocięliśmy ząb i zamontowaliśmy go w żywicy epoksydowej, pozostawiając wszystkie trzy interesujące obszary wystawione na próbę.

 

 

Wyniki i dyskusja

Ta część zawiera tabelę podsumowującą, która porównuje główne wyniki liczbowe dla różnych próbek, a następnie pełne zestawienie wyników, w tym każde wykonane wgniecenie, wraz z mikrografami wgniecenia, jeśli są dostępne. Te pełne wyniki przedstawiają zmierzone wartości twardości i modułu Younga jako głębokości penetracji z ich średnimi i odchyleniami standardowymi. Należy wziąć pod uwagę, że duże różnice w wynikach mogą wystąpić w przypadku, gdy chropowatość powierzchni jest w tym samym zakresie wielkości co wgłębienie.

Tabela zbiorcza głównych wyników numerycznych:

 

 

Wniosek

Podsumowując, pokazaliśmy jak Nanovea Mechanical Tester, w trybie Nanoindentacji, zapewnia precyzyjny pomiar właściwości mechanicznych zęba. Dane te mogą być wykorzystane przy opracowywaniu wypełnień, które będą lepiej odpowiadać charakterystyce mechanicznej prawdziwego zęba. Możliwość pozycjonowania Nanovea Mechanical Tester pozwala na pełne odwzorowanie twardości zębów w różnych strefach.

Przy użyciu tego samego systemu możliwe jest badanie odporności na pękanie materiału zęba przy większych obciążeniach do 200N. W przypadku materiałów bardziej porowatych można zastosować wielocyklowy test obciążeniowy w celu oceny pozostałego poziomu elastyczności. Zastosowanie płaskiej, cylindrycznej końcówki diamentowej pozwala uzyskać informację o granicy plastyczności w każdej strefie. Dodatkowo, dzięki dynamicznej analizie mechanicznej DMA, można ocenić właściwości lepkosprężyste, w tym moduł stratności i magazynowania.

Nanomoduł Nanovea jest idealny do tych testów, ponieważ wykorzystuje unikalną reakcję sprzężenia zwrotnego, aby precyzyjnie kontrolować zastosowane obciążenie. Z tego powodu moduł nano może być również stosowany do wykonywania dokładnych testów zarysowania w skali nano. Badanie odporności na zarysowanie i zużycie materiału zęba i materiałów wypełniających zwiększa ogólną przydatność testera Mechanical. Zastosowanie ostrej końcówki o średnicy 2 mikronów do ilościowego porównania marmurkowania na materiałach wypełniających pozwoli na lepsze przewidywanie zachowania w rzeczywistych zastosowaniach. Testy zużycia wieloprzebiegowego lub bezpośredniego zużycia obrotowego są również powszechnie stosowanymi testami dostarczającymi ważnych informacji na temat długoterminowej żywotności.

TERAZ POROZMAWIAJMY O TWOJEJ APLIKACJI

LIVE CHAT