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月度档案。7 月 2021

世界领先的微米力学测试仪

现在是世界领先的

微型机械测试

编写者

PIERRE LEROUX & DUANJIE LI, PhD

简介

标准维氏显微硬度计的可用载荷范围为10至2000克力（gf）。标准维氏宏观硬度计的载荷范围为1至50Kgf。这些仪器不仅在载荷范围上非常有限，而且在处理较粗糙的表面或低载荷时也不准确，因为压痕太小，无法用肉眼测量。这些限制是旧技术所固有的，因此，由于仪器压痕所带来的更高的准确性和性能，它正成为标准选择。

与 NANOVEA世界领先的微型机械测试系统，维氏硬度是根据深度与载荷数据自动计算出来的，在单个模块上的载荷范围是迄今为止最宽的（0.3克到2公斤或6克到40公斤）。由于它是通过深度与载荷曲线来测量硬度，NANOVEA微模块可以测量任何类型的材料，包括非常有弹性的材料。它不仅可以提供维氏硬度，还可以提供精确的弹性模量和蠕变数据，此外还可以提供其他类型的测试，如划痕附着力测试、磨损、疲劳测试、屈服强度和断裂韧性，以获得完整的质量控制数据。

现在是世界领先的微型机械测试

在本应用说明中，将解释Micro Module如何被设计为提供世界领先的仪器压痕和划痕测试。Micro Module的宽范围测试能力是许多应用的理想选择。例如，载荷范围允许对薄的硬涂层进行准确的硬度和弹性模量测量，然后可以应用更高的载荷来测量这些相同涂层的附着力。

测量目标

微型模块的容量是通过以下方式展示的 NANOVEA CB500 机械测试仪 经过
使用从0.03到200N的宽负荷范围，以卓越的精度和可靠性进行压痕和划痕测试。

NANOVEA

CB500

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测试条件

一系列（3×4，共12个压痕）的微压痕是用维氏压头在一个标准的钢铁样品上进行的。测量并记录了整个压痕测试周期的载荷和深度。在不同的最大负载下进行压痕，范围从0.03N到200N（0.0031到20.4kgf），以展示微型模块在不同负载下进行精确压痕测试的能力。值得注意的是，还可以选择20N的称重传感器，为从0.3gf到2kgf的低负载范围内的测试提供10倍的分辨率。

使用微型模块进行了两次划痕测试，载荷分别从0.01N到200N和从0.01N到0.5N线性增加，使用尖端半径为500μm和20μm的圆锥型金刚石测针。

二十 显微压痕 在4N的条件下对钢的标准样品进行了测试，展示了微模块结果的卓越可重复性，与传统的维氏硬度计的性能形成鲜明对比。

*在钢样上用微探针测量

测试参数

的缩进映射

绘制地图。 3 BY 4 INDENTS

结果和讨论

新的微型模块有一个独特的组合，即Z型电机、高力负荷传感器和一个高精度电容式深度传感器。对独立的深度和负载传感器的独特利用确保了在所有条件下的高精确度。

传统的维氏硬度测试使用以钻石为基础的金字塔压头，形成方形压痕。通过测量对角线的平均长度d，可以计算出维氏硬度。

相比较而言，美国国家航空航天局所使用的仪器压痕技术 NANOVEA微模块直接测量压痕载荷和位移测量的机械性能。不需要对压痕进行视觉观察。这消除了用户或计算机在确定压痕的d值时的图像处理误差。高精度的电容式深度传感器具有0.3纳米的极低噪音水平，可以准确测量传统维氏硬度计难以或无法在显微镜下目测的压痕深度。

此外，竞争者使用的悬臂技术通过弹簧在悬臂梁上施加法向载荷，而这一载荷反过来又作用于压头。这样的设计在施加高负荷时有一个缺陷--悬臂梁不能提供足够的结构刚度，导致悬臂梁的变形，进而导致压头的错位。相比之下，微型模块通过作用在称重传感器上的Z型电机施加法向载荷，然后由压头直接施加载荷。所有的元素都是垂直排列的，以达到最大的刚度，确保在整个负载范围内可重复和准确的压痕和划痕测量。

新的微型模块的特写视图

压痕从0.03到200 n

压痕图的图像显示在图1中。10N以上的两个相邻压痕之间的距离是0.5毫米，而在较低的载荷下的距离是0.25毫米。样品台的高精度位置控制使用户可以选择目标位置进行机械性能测绘。由于微型模块的部件垂直排列而具有出色的刚度，维氏压头在高达200N（可选400N）的载荷下穿入钢样时保持完美的垂直方向。这在不同的载荷下，在样品表面形成了对称的方形印象。

如图2所示，显微镜下不同载荷下的单个压痕与两个划痕一起显示，以展示新的微型模块在广泛的载荷范围内以高精度进行压痕和划痕测试的能力。如正常载荷与划痕长度图所示，当圆锥球形金刚石测针在钢样表面滑动时，正常载荷呈线性增长。它创造了一个平滑的直线划痕，宽度和深度逐渐增加。

图1: 缩进图

使用微型模块进行了两次划痕测试，载荷分别从0.01N到200N和从0.01N到0.5N线性增加，使用尖端半径为500μm和20μm的圆锥型金刚石测针。

在4N的条件下对钢铁标准样品进行了20次微压痕测试，展示了微模块结果的卓越可重复性，与传统的维氏硬度计的性能形成对比。

a: 显微镜下的压痕和划痕（360x）。

b：显微镜下的压痕和划痕（3000倍）。

图2: 不同最大载荷下的载荷与位移图。

不同最大载荷下的压痕过程中的载荷-位移曲线如图所示 图3. 硬度和弹性模量的总结和比较见图4。在整个测试载荷范围从0.03到200N（可能范围为0.003到400N）的过程中，钢样表现出恒定的弹性模量，导致平均值为~211GPa。硬度表现出一个相对恒定的值，即在100N以上的最大载荷下测得的~6.5GPa。随着载荷降低到2至10N的范围，测得的平均硬度为~9GPa。

图3: 不同最大载荷下的载荷与位移图。

图4: 通过不同的最大载荷测量钢样的硬度和杨氏模量。

压痕从0.03到200 n

在4N最大载荷下进行了20次微压痕测试。负载-位移曲线显示在 图5 所得的维氏硬度和杨氏模量如图所示。 图6.

图5: 4N下的微压痕测试的载荷-位移曲线。

图6: 在4N条件下，20个微压痕的维氏硬度和杨氏模量。

负载-位移曲线显示了新的微型模块的卓越可重复性。新的微型模块测量的钢标准件的维氏硬度为842±11HV，而使用传统的维氏硬度计测量的维氏硬度为817±18HV。硬度测量的标准偏差小，确保了在工业部门和学术研究领域的材料研发和质量控制中对机械性能进行可靠和可重复的表征。

此外，根据载荷-位移曲线计算出的杨氏模量为208±5 GPa，由于压痕过程中缺少深度测量，传统的维氏硬度计无法获得这一数据。随着载荷的降低和压痕尺寸的减小，杨氏模量也随之降低。 NANOVEA 与维氏硬度计相比，微模块在重复性方面的优势越来越大，直到不再可能通过目视检查来测量压痕。

在处理较粗糙或在维氏硬度计提供的标准显微镜下较难观察的样品时，测量深度来计算硬度的优势也变得很明显。

结论

在这项研究中，我们展示了新的世界领先的NANOVEA微模块（200 N范围）是如何在0.03到200 N（3 gf到20.4 kgf）的宽负荷范围内进行无与伦比的可重复的和精确的压痕和划痕测量。一个可选的低量程微模块可以提供从0.003到20N（0.3gf到2kgf）的测试。Z型电机、高力称重传感器和深度传感器的独特垂直排列确保了测量过程中最大的结构刚度。在不同载荷下测量的压痕在样品表面都具有对称的方形形状。在最大载荷为200N的划痕测试中，产生了一条宽度和深度逐渐增加的直线划痕轨迹。

新的微型模块可以配置在PB1000（150 x 200毫米）或CB500（100 x 50毫米）的机械基座上，具有Z型机动化（50毫米范围）。结合强大的摄像系统（位置精度为0.2微米），这些系统提供了市场上最好的自动化和制图能力。NANOVEA还提供了一个独特的专利功能（EP No. 30761530），通过在整个负载范围内进行一次缩进，可以验证和校准维氏缩进器。相比之下，标准的维氏硬度计只能提供一种载荷下的校准。

此外，如果需要，NANOVEA软件使用户能够通过测量压痕对角线的传统方法来测量维氏硬度（针对ASTM E92和E384）。如本文所示，与传统的硬度计相比，由NANOVEA微模块进行的深度与载荷硬度测试（ASTM E2546和ISO 14577）是精确和可重复的。特别是对于那些不能用显微镜观察/测量的样品。

总之，微模块设计的更高精确度和可重复性，以及其广泛的负载和测试范围、高度自动化和绘图选项，使传统的维氏硬度计过时。但同样地，目前仍在提供的划痕和微划痕测试仪也是如此，但在20世纪80年代的设计中存在缺陷。

这种技术的不断发展和改进使NANOVEA成为微观机械测试的世界领导者。

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