Co mówi indentacja instrumentalna
Twardość i sztywność decydują o odporności materiału na zarysowanie, zużycie, odkształcenie i uszkodzenia kontaktowe. Indentacja instrumentalna mierzy obie wielkości w istotnej skali: cienkiej warstwy, powłoki, pojedynczego ziarna, powierzchni polimeru, tkanki biologicznej. Ponieważ obciążenie i głębokość są rejestrowane przez cały czas, każdy odcisk pokazuje też powrót sprężysty, pełzanie podczas wytrzymania oraz zdarzenia takie jak pękanie czy pop-in.
Jak przebiega badanie
- Wgłębnik zbliża się do powierzchni i wykrywa kontakt.
- Obciążenie rośnie do zadanego maksimum z kontrolowaną prędkością. Niezależny czujnik głębokości rejestruje penetrację przez cały czas.
- Obciążenie jest utrzymywane, często aż ustabilizuje się pełzanie, a następnie zdejmowane przy dalszej rejestracji głębokości.
- Oprogramowanie analizuje krzywą odciążania, wyznacza sztywność i głębokość kontaktu, a następnie oblicza twardość indentacyjną i moduł sprężystości.
Powtarzanie badania na siatce daje mapę właściwości. Przy pozycjonowaniu z dokładnością do 0,2 µm badanie NANOVEA szybkiego mapowania umieściło 625 odcisków na 0,20 mm², ujawniając ziarna i porowatość ceramiki.
Nano i mikro w jednym systemie
Urządzenia do badań mechanicznych NANOVEA mają moduły obciążeń nano i mikro, które razem obejmują pięć rzędów wielkości obciążenia. Moduł nano mierzy cienkie warstwy, materiały miękkie i pojedyncze fazy przy obciążeniach rzędu mN. Moduł mikro zastępuje klasyczne mikrotwardościomierze: jeden moduł obejmuje od 0,3 g do 2 kg lub od 6 g do 40 kg, a badanie NANOVEA modułu mikro obejmowało odciski Vickersa na stali od 0,03 N do 200 N na CB500.
Dlaczego architektura pomiaru ma znaczenie
Obciążenia przykładane są pionowo, bez dźwigni czy przegubu, które mogłyby wprowadzić ruch boczny lub podatność, i mierzone przez czujnik siły niezależny od siłownika. Głębokość mierzy czujnik pojemnościowy. Oba czujniki działają w prawdziwej zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego, więc zadane obciążenie jest rzeczywiście przyłożone, nawet gdy materiał pełza.
Geometria wgłębnika
- Berkovich: standardowa końcówka do nanoindentacji; jej trzy ściany zbiegają się w punkcie, który pozostaje ostry przy małych głębokościach.
- Vickers: czterościenny, do mikrotwardości porównywalnej z klasycznymi twardościomierzami.
- Knoop: wydłużony, daje płytkie odciski odpowiednie dla cienkich warstw i pomiaru anizotropii.
- Stożkowy i sferyczny: do materiałów miękkich i badań naprężenie–odkształcenie, w których przydatne jest stopniowe przejście od kontaktu sprężystego do plastycznego.
Badania w warunkach eksploatacji
Twardość i moduł zmieniają się z temperaturą, wilgotnością i zanurzeniem, zwłaszcza w polimerach. Badanie NANOVEA w kontrolowanej wilgotności wykazało spadek twardości folii polimerowej z ok. 0,60 GPa do 0,31 GPa przy wzroście wilgotności względnej z 25% do 75%, przy jednoczesnym wzroście głębokości pełzania. Moduły środowiskowe pozwalają wykonać ten sam pomiar na gorąco, na zimno, w wilgoci, w cieczy lub w próżni.
