наноиндентирование
Наноиндентирование , также называемое инструментальным испытанием на вдавливание, [1] представляет собой разновидность испытаний на твердость вдавливания, применяемых к небольшим объемам. Вдавливание, пожалуй, наиболее часто применяемый способ проверки механических свойств материалов. Метод наноиндентирования был разработан в середине 1970-х годов для измерения твердости небольших объемов материала. [2]
В традиционном испытании на вдавливание (макро- или микровдавливание) твердый наконечник с известными механическими свойствами (часто сделанный из очень твердого материала, такого как алмаз ) вдавливается в образец, свойства которого неизвестны. Нагрузка на наконечник индентора увеличивается по мере его дальнейшего проникновения в образец и вскоре достигает заданного пользователем значения. В этот момент нагрузка может поддерживаться постоянной в течение определенного периода времени или может быть снята. Измеряют площадь остаточного отпечатка в образце и определяют твердость , как максимальную нагрузку , деленную на площадь остаточного отпечатка :
Для большинства методов площадь проекции можно измерить непосредственно с помощью световой микроскопии . Как видно из этого уравнения, заданная нагрузка сделает меньшую вмятину в «твердом» материале, чем в «мягкий».
Этот метод ограничен из-за больших и разнообразных форм наконечников, а также инденторных установок, которые не имеют очень хорошего пространственного разрешения (местоположение области, в которую нужно вдавить, очень трудно точно указать). Сравнение экспериментов, обычно проводимых в разных лабораториях, сложно и часто бессмысленно. Наноиндентирование улучшает эти тесты макро- и микроиндентирования за счет вдавливания в наномасштабе с очень точной формой кончика, высоким пространственным разрешением для размещения отпечатков и предоставлением данных о нагрузке-смещении (в поверхность) в реальном времени во время вдавливания. в ходе выполнения.
При наноиндентировании используются небольшие нагрузки и размеры наконечника, поэтому площадь вдавливания может составлять всего несколько квадратных микрометров или даже нанометров . Это создает проблемы при определении твердости, так как площадь контакта найти нелегко. Методы атомно-силовой микроскопии или сканирующей электронной микроскопии могут быть использованы для изображения вдавливания, но они могут быть довольно громоздкими. Вместо этого используется индентор с известной геометрией высокой точности (обычно наконечник Берковича , который имеет геометрию трехсторонней пирамиды). В ходе инструментального индентирования запись глубиныпроизводят вдавливание, а затем определяют площадь отпечатка по известной геометрии наконечника отпечатка. При вдавливании можно измерять различные параметры, такие как нагрузка и глубина проникновения. Запись этих значений можно нанести на график, чтобы создать кривую нагрузки-перемещения (например, показанную на рисунке 1). Эти кривые можно использовать для извлечения механических свойств материала. [3]
Наклон кривой при разгрузке указывает на жесткость контакта. Это значение обычно включает в себя вклад как тестируемого материала, так и отклика самого тестового устройства. Жесткость контакта можно использовать для расчета приведенного модуля Юнга :
