Znaczenie nanoindentacji

Ciągłe pomiary sztywności (CSM) uzyskane przez nanoindentacja ujawnia zależność naprężenie-odkształcenie materiałów za pomocą minimalnie inwazyjnych metod. W przeciwieństwie do tradycyjnych metod badania wytrzymałości na rozciąganie, nanoindentacja dostarcza danych naprężenie-odkształcenie w nanoskali bez potrzeby stosowania dużego przyrządu. Krzywa naprężenie-odkształcenie dostarcza kluczowych informacji na temat progu między zachowaniem sprężystym a plastycznym, gdy próbka jest poddawana rosnącym obciążeniom. CSM daje możliwość określenia granicy plastyczności materiału bez użycia niebezpiecznego sprzętu.

Nanoindentacja zapewnia niezawodną i przyjazną dla użytkownika metodę szybkiego badania danych naprężenie-odkształcenie. Co więcej, pomiar zachowania naprężenie-odkształcenie w nanoskali umożliwia badanie ważnych właściwości małych powłok i cząstek w materiałach, gdy stają się one bardziej zaawansowane. Nanoindentacja dostarcza informacji na temat granicy sprężystości i granicy plastyczności, a także twardości, modułu sprężystości, pełzania, odporności na pękanie itp. dzięki czemu jest wszechstronnym narzędziem metrologicznym.

Dane naprężenie-odkształcenie dostarczone przez nanoindentację w tym badaniu identyfikują granicę sprężystości materiału, wchodząc tylko 1,2 mikrona w głąb powierzchni. Używamy CSM do określenia, w jaki sposób właściwości mechaniczne materiałów rozwijają się, gdy wgłębnik wnika głębiej w powierzchnię. Jest to szczególnie przydatne w zastosowaniach cienkowarstwowych, gdzie właściwości mogą zależeć od głębokości. Nanoindentacja to minimalnie inwazyjna metoda potwierdzania właściwości materiałów w badanych próbkach.

Test CSM jest przydatny do pomiaru właściwości materiału w zależności od głębokości. Testy cykliczne mogą być wykonywane przy stałym obciążeniu w celu określenia bardziej złożonych właściwości materiału. Może to być przydatne do badania zmęczenia lub wyeliminowania wpływu porowatości w celu uzyskania rzeczywistego modułu sprężystości.

Cel pomiaru

W tej aplikacji tester mechaniczny Nanovea wykorzystuje CSM do badania twardości i modułu sprężystości w funkcji głębokości oraz danych naprężenie-odkształcenie na standardowej próbce stali. Stal została wybrana ze względu na jej powszechnie uznaną charakterystykę, aby pokazać kontrolę i dokładność danych naprężenie-odkształcenie w nanoskali. Sferyczna końcówka o promieniu 5 mikronów została użyta do osiągnięcia wystarczająco wysokich naprężeń przekraczających granicę sprężystości stali.

Warunki i procedury testowe

Zastosowano następujące parametry wcięcia:

Wyniki:

Wzrost obciążenia podczas oscylacji zapewnia następującą krzywą głębokości w funkcji obciążenia. Podczas obciążenia przeprowadzono ponad 100 oscylacji, aby znaleźć dane naprężenie-odkształcenie, gdy wgłębnik penetruje materiał.

Określiliśmy naprężenie i odkształcenie na podstawie informacji uzyskanych w każdym cyklu. Maksymalne obciążenie i głębokość w każdym cyklu pozwalają nam obliczyć maksymalne naprężenie przyłożone w każdym cyklu do materiału. Odkształcenie jest obliczane na podstawie głębokości resztkowej w każdym cyklu od częściowego rozładowania. Pozwala nam to obliczyć promień pozostałego odcisku poprzez podzielenie promienia końcówki w celu uzyskania współczynnika odkształcenia. Wykres zależności naprężenia od odkształcenia dla materiału pokazuje strefy sprężyste i plastyczne z odpowiadającym im naprężeniem granicznym sprężystości. Nasze testy wykazały, że przejście między strefą sprężystą i plastyczną materiału wynosi około 0,076 odkształcenia przy granicy sprężystości 1,45 GPa.

Każdy cykl działa jak pojedyncze wgłębienie, więc w miarę zwiększania obciążenia przeprowadzamy testy na różnych kontrolowanych głębokościach w stali. Twardość i moduł sprężystości w zależności od głębokości można więc wykreślić bezpośrednio z danych uzyskanych dla każdego cyklu.

Gdy wgłębnik przemieszcza się w głąb materiału, obserwujemy wzrost twardości i spadek modułu sprężystości.

Wniosek

Wykazaliśmy, że tester mechaniczny Nanovea zapewnia wiarygodne dane naprężenie-odkształcenie. Zastosowanie kulistej końcówki z wgłębieniem CSM pozwala na pomiar właściwości materiału przy zwiększonym naprężeniu. Obciążenie i promień wgłębnika można zmieniać w celu testowania różnych materiałów na kontrolowanych głębokościach. Testery mechaniczne Nanovea zapewniają testy wgłębień w zakresie od poniżej mN do 400N.