ZHN - Système d'essais nanomécanique universel

Une nouvelle dimension

La caractérisation mécanique complète de couches minces ou petites surfaces avec résolution de force et course nécessaire est le champ d'application du testeur nanomécanique universel ZHN. Cela comporte la mesure de la dureté de pénétration, du module de pénétration et de la dureté Martens ISO 14577 (essai de pénétration instrumenté).
ZHN Nanoindenter

Les principaux avantages et caractéristiques

  • Logiciel convivial avec Design clair
  • Conception rigide du bâti avec axe de pénétration dans l'axe de mouvement (pas de couple de bascule)
  • Concept modulaire des:
    • Têtes de mesure interchangeables en direction normale (20 N / 2 N / 0,2 N) et latérale - permettant la modélisation des conditions de chargement
    • Optique en tandem avec 2 caméras - développé pour l'industrie aéronautique - extensible jusqu'à 4 grossissements
    • Structuration du logiciel en modules de fonctionnement / utilisation pour essai de dureté et module de Young, Scratchtest, essai cyclique et essai de pénétration par superposition de vibrations
  • Différentes mâchoires disponibles (incl. mâchoires avec supports éprouvette isolés pour mesure de la résistance de contact pointe - éprouvette)
  • Espace large dans toutes les directions avec étendues précises et résolution élevée:
    • Direction X 100 mm
    • Direction Y 200 mm
    • Direction Z 70 mm
  • Nouvelle conception/boîtier avec isolation thermique et acoustique améliorée

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ZHN Nanoindenter for testing Metals and Industrial Tooling

The ZHN Nanoindenter is used for comprehensive, mechanical characterization of thin layers or small surface areas with the necessary force and travel resolution.

Domaines d'application du ZHN

Module de dureté et d'élasticité conformément à DIN EN ISO 14577

Härteverlauf mit einem Berkovich-Eindringkörper

Courbe de dureté avec un pénétrateur Berkovich

Les mesures s'effectuent en principe avec un pénétrateur Berkovich sous contrôle de la force. Des mesures rapides sont possibles, par exemple avec chargement 10 s, temps d'arrêt 5 s et déchargement 4 s.

  • Grandeurs mesurables:
  • Dureté de pénétration HIT (convertible en HV)
  • Dureté Martens HM ou HMs
  • Module de pénétration EIT (module d'élasticité)
  • Fluage de pénétration CIT ou relaxation RIT
  • Comportement portion de déformation élastique pour travail de pénétration ηIT

Vous pourrez au total éditer plus de 50 grandeurs

Dureté Vickers

Vickershärte Vergleich

Aperçu de l'écart relatif de la dureté Vickers

La dureté Vickers peut être calculée à partir de la dureté de pénétration. Une étude approfondie du BAM (Institut fédéral de Recherche des Matériaux), sur 20 matériaux, menée entre dureté Vickers conventionnelle et dureté Vickers convertie à partir de IT a mis en évidence une différence moyenne < 10 % pour les calculs obtenus avec les algorithmes InspectorX contre 25 à 30 % pour ceux obtenus avec d'autres suites logicielles.

[T. Chudoba, M. Griepentrog, International Journal of Materials Research 96 (2005) 11 1242 – 1246]

Mesures dépendantes de la pénétration avec module QCSM

QCSM - Quasi Continuous Stiffness Measurement

Représentation schématique du déroulement de la méthode QCSM

La „Quasi Continuous Stiffness Measurement-Methode” est un module développé par ASMEC, qui permet - outre la détermination de la rigidité de contact de l'éprouvette pour une profondeur à l'aide de la courbe de déchargement - de spécifier la rigidité pour de nombreux points pendant le processus de pénétration. La dureté et le module d'élasticité peuvent ainsi être déterminés, en fonction de la profondeur, en un seul et même emplacement. La sensibilité de mesure est, en outre, augmentée pour les petites forces, de manière à permettre la détermination des valeurs de rigidité dès les forces et profondeurs de pénétration les plus faibles. Le module QCSM permet d'augmenter la charge pendant une courte durée (1 à 4 s) et de superposer une vibration sinusoïdale à la tension Piezo. Contrairement aux autres méthodes, l'amplitude n'est pas directement prescrite pour la force ou pour. la course L'amplitude et la phase de vibration sont déterminées à l'aide d'un filtre Lock-In.

Calcul des courbes de contrainte-allongement avec les réseaux de neurones

Neuronale Netz-Analyse mit dem ZHN

Une méthode permettant de déterminer une courbe de contrainte-allongement complète des métaux, à partir des empreintes de pénétrateurs, a été développée en partenariat avec Centre de Recherche de Karlsruhe. Elle est basée sur l'utilisation des réseaux de neurones pour l'identification des paramètres et prend également en compte le durcissement cinématique.

Détermination des profils de hauteur

Höhenprofilmessung mit dem ZHN

Balayage perpendiculaire à un test de rayure avec une force de contact de 100 µN

Des balayages de surface peuvent être réalisés tant en direction X avec l'unité latérale (LFU) avec résolution nm que sans LFU avec les tables XY avec résolution μm. Des valeurs de rugosité telles que Ra, Rq pi Rt sont alors déterminées.

Tests de micro usure

Mikro-Verschleißtests mit dem Nanoindenter ZHN

Tests d'usure avec une bille diamant (rayon 50 µm) sur une couche DLC. Série gauche (charge de 1000 mN), série droite (charge de 1500 mN). Amplitude 50 μm, temps mesuré 1800 s.

Des tests d'usure oscillants avec amplitude allant jusqu'à 140 μm peuvent être réalisés.

Scratch et Micro-Scratch-Tests

Mikro-Scratch-Test auf Silizium, Fmax 500 mN

Test de rayure d'une couche sur silicium, Fmax 500 mN

Les tests sont typiquement réalisés à l'aide de pointes sphériques avec un rayon entre 5 et 10 μm. La contrainte maximale est ainsi présente dans la couche et non dans le substrat. Plusieurs balayages de la surface sont possibles. La faible longueur de rayure réduit l'usure de la pointe ainsi que l'impact des inégalités de surface.

... autres applications avec le ZHN

  • Mesures d'adhésion (sur fluides, par exemple)
  • Mesures purement élastiques avec pénétrateur à bille pour la détermination du module de Young, y compris des couches dures très minces d'épaisseur inférieure à 50 nm.
  • Essais micro en traction
  • Mesures de fatigue avec faible nombre de cycles
ZHN Nanoindenter mit LFU in der Anwendung

La polyvalence et souplesse du concept d'essais

Le testeur nanométrique universel ZHN est un développement de la technologie éprouvée des nanoindenteurs ASMEC. Cet appareil associe deux têtes de mesure de dureté, en direction normale (principe du nanoindenteur), et en direction latérale (principe du Stratch testeur); toutes deux travaillent de manière indépendante l'une de l'autre avec une résolution nanométrique. Des courbes de force-déplacement latérales, permettant d'obtenir davantage de paramètres de matériaux que précédemment, sont ainsi mesurées (voir exemples d'applications). Cela comprend la mesure de la rigidité latérale et la déformation purement élastique de l'éprouvette.

Le bâti de charge bi-colonne avec entraînement par vis centrale et guidage de précision assure la rigidité du bâti. L'axe du pénétrateur est, de plus, situé précisément dans l'axe du mouvement. Les erreurs d'Abbe sont exclues. La rigidité appareil (supérieure à 106 N/m) ne nécessite aucune correction ce qui simplifie notablement l'étalonnage de la fonction de surface.

Contrairement aux appareils d'autres fabricants, les têtes de mesure fonctionnent tant en direction de traction que de compression, permettant de réaliser des essais de pénétration par superposition de vibrations que des essais de fatigue cycliques.

Le ZHN est basé sur deux têtes de mesure brevetées:

Principe du NFU

Normal Force Unit (NFU)

Normal Force Unit (NFU)

  • Le système de double ressort à lames garantit une mobilité élevée en direction normale et une rigidité élevée en direction latérale
  • Conception robuste
  • Pas d'impact des capteurs inductifs en cas de surcharge et donc pas de dommage
  • L'arbre peut supporter des poids plus importants sans quitter la plage de mesure. Utilisation possible de pointes de mesure spécifiques client.

Principe du LFU

Lateral Force Unit (LFU)

Lateral Force Unit (LFU)

  • Mâchoires permettant le centrage de l'éprouvette entre les ressorts à lames
  • Déplacement aisé en direction latérale sans changement de la position éprouvette à la verticale avec une rigidité suffisante en position normale
  • Création de la force découplée par la mesure de la force
  • Possibilité d'utilisation et mesure des forces latérales sans déplacement latéral
Blick auf die Optik des ZHN Nanoindenters

La modularité de l'optique

Augmentez le nombre de méthodes de mesure possibles et associez le ZHN à nos différents systèmes optiques, tel un AFM intégré par exemple.

Avantages et caractéristiques de l'optique

  • Objectif 50x – trajectoire du faisceau guidée vers deux caméras à l'aide de séparateurs de faisceau et d'une optique intermédiaire
  • Caractéristiques de l'image:
    • Définition des points de mesure
    • Mesure des distances et amplitudes
    • Arrêt sur les points de mesure existants et affichage des coordonnées par pression d'un bouton
    • Régulation de l'éclairage et des paramètres d'image
    • Affichage des échelles de mesure et temps d'enregistrement
  • Précision de positionnement élevée et commutation rapide entre objectifs
  • Bonne qualité d'image - y compris sur les surfaces faiblement réfléchissantes
  • Fonction de mise au point automatique garantissant une image précise et nette
  • Création automatique d'images des emplacements mesurés (programmable)
  • Image d'ensemble composée de plusieurs images avec grande profondeur de champ

Différentes options de l'optique

Weisslichtinterferometer im ZHN eingebunden

Interféromètre à lumière blanche raccordé dans le ZHN

Modèles d'objectifs

Le microscope tandem avec objectif 50x est en principe fourni avec le système d'essais. Un objectif 50x avec distance de travail augmentée pourra également vous être proposé en option. Un objectif 5x ou un interféromètre à lumière blanche pourra également être relié comme second objectif.

Descriptif

N° Article

Objectif longue distance 50x pour microscope en tandem pour ZHN

  • plus grande distance de travail de 10,6 mm (sinon: 0,38 mm)
  • Supplément, remplace l'objectif standard 50x

1016479

Objectif 5x comme second objectif pour le microscope en tandem

  • incl. poussoir objectif (manuel) pour le remplacement entre objectifs
    avec deux grossissements distincts

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Interféromètre lumière blanche SmartWLI

  • Profilomètre optique comme module pour le ZHN, si utilisation de l'optique ZHN Original
    avec 2 caméras

Composants:

  • Objectif Mirau 50x
  • Adaptateur objectif piezo électrique 400 μm (390 μm utilisable) pour le réglage en hauteur
  • Logiciel SmartWLI (sans module Stitching)
  • Logiciel MountainsMap Imaging Topography pour présentation 2,5D et analyse
  • incl. poussoir objectif (manuel) pour le remplacement entre objectifs

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Microscope Atomic Force (AFM)

Liaison d'un AFMs sur le ZHN

La nanoindentation et la microscopie à force atomique (AFM) peuvent être couplées dans un seul système pour permettre une analyse complète et semi-automatisée. Dans un premier temps, le microscope à force atomique mesure la rugosité de surface et aide ainsi à définir la profondeur de pénétration minimale. L'éprouvette est ensuite positionnée sous le nano-indentateur, pour réaliser une analyse mécanique sur le même emplacement. Pour terminer, vous pourrez à nouveau déplacer cette zone sous l'AFM, afin de caractériser les propriétés induites par la contrainte (accumulations de matériau, retassures ou fissures autour de la cavité) et de les comprendre. Ces effets peuvent avoir un impact sur les valeurs obtenues pour le module de dureté et pour le module d'élasticité.

Descriptif

N° Article

Microscope à force atomique NaniteAFM C1000 pour modes de mesure standard: Static Force (Contact), Dynamic Force, Force Modulation, Spreading Resistance, Phase Contrast, Magnetic Force, Electrostatic Force

inclus:

  • Électronique de pilotage Nanosurf C1000 (24/32 Bit), incl. Scripting Interface pour le contrôle externe du système (COM Interface)
  • Tête de mesure NaniteAFM (110 µm x 110µm x 20µm) avec caméras haute-résolution, Top-View et Side-View
  • Support pour tête de mesure NaniteAFM - Precision Mount, Intégration dans nano-indenteur ZwickRoell
  • NaniteAFM Sample Stage 204 – Système de support supplémentaire incl. isolation passive contre les vibrations
  • Set d'outils NaniteAFM
  • Set éprouvette AFM pour grande plage de mesure
  • Pics de mesure AFM pour mesure statique (10 pièces)
  • Pics de mesure AFM pour mesure dynamique (10 pièces)

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Aperçu technique

Vous pouvez voir ci-dessous les caractéristiques techniques de l'appareil de base avec différents objectifs, telles que les données des têtes de mesure, telle que par exemple la résolution numérique de la mesure de force.

Appareil de base avec objectif x50

Descriptif

Valeur

N° Article

1011428

Dimensions (H x l. x P)

790 x 640 x 390

mm

Poids

env. 105

kg

Tension électrique

230

V

Optique

Microscope en tandem avec deux caméras vidéo

1280 x 1024 Pixel, liaison USB 3.0

Objectif

50 x[1]

Distance de travail

0,38 / 10,6 [2]

mm

Éclairage

LED verte, puissance maxi. 1 W

Grossissement optique sur 23'' (caméra 1/caméra 2)

1000 x / 3350 x

Zone d'image (caméra 1/caméra 2)

324 x 259 μm / 96 x 77 μm

Résolution pixel petit/grand (caméra 1/caméra 2)

254 nm / 76 nm

Système de table

Course de déplacement, table X

100 mm, incrément 50 nm

Course de déplacement, table Y

200 mm, incrément 50 nm

Course de déplacement, table Z

70 mm, incrément 10 nm

Taille maxi. de l'éprouvette (X x Y x Z)

80 x 80 x 60

mm

Longueur maximale d'un Scratch-Test

25[3]

mm

  1. Également fournis
  1. Objectif longue distance, voir modèles d'objectifs
  1. selon planéité de la surface éprouvette

Appareil de base avec objectif x5

Descriptif

Valeur

N° Article

1011428

Dimensions (H x l. x P)

790 x 640 x 390

mm

Poids

env. 105

kg

Tension électrique

230

V

Optique

Microscope en tandem avec deux caméras vidéo

1280 x 1024 Pixel, liaison USB 3.0

Objectif

5 x[1]

Distance de travail

10,6

mm

Éclairage

LED verte, puissance maxi. 1 W

Grossissement optique sur 23'' (caméra 1/caméra 2)

100 x / 335 x

Zone d'image (caméra 1/caméra 2)

3,2 x 2,6 mm / 0,97 x 0,7 mm

Résolution pixel petit/grand (caméra 1/caméra 2)

2540 nm / 760 nm

Système de table

Course de déplacement, table X

100 mm, incrément 50 nm

Course de déplacement, table Y

200 mm, incrément 50 nm

Course de déplacement, table Z

70 mm, incrément 10 nm

Taille maxi. de l'éprouvette (X x Y x Z)

80 x 80 x 60

mm

Longueur maximale d'un Scratch-Test

25[2]

mm

  1. Objectif x 5 avec déplacement manuel, voir modèles d'objectifs
  1. selon planéité de la surface éprouvette

Caractéristiques techniques de la tête de mesure normale

Tête de mesure NFU (Normal Force Unit)

N° Article

1050945

1016415

1016416

Capacité, maxi (Fmax), normal[1]

env. 20

env. 2

env. 0,2

N

Capacité , min. (Fmin), normal[1]

env. 2

env. 0,2

env. 0,05

mN

Mesure de la force, résolution numérique

≤ 0,2

≤ 0,02

≤ 0,002

μN

Mesure de la froce, bruit

≤ 20[2]

≤ 2[3]

≤ 0,2[3]

μN

Course, maxi.

env. 200[1]

env. 200[1]

env. 200[1]

μm

Mesure de la course, résolution numérique

≤ 0,002

≤ 0,002

≤ 0,002

nm

Mesure de la course, bruit (1 σ à 8 Hz)

≤ 0,4

≤ 0,3

≤ 0,3

nm

Mesure de la course, bruit (1 σ at closed loop module)

≤ 0,2

≤ 0,2

Module dynamique [4]

Fréquence d'oscillation, maxi.

300

300

300

Hz

Fréquence, maxi. pour exploitation de la boucle

75

75

25

Hz

Taux d'acquisition des valeurs mesurées

40

40

40

kHz

Amplitude de force, max. de l'oscillation

> 100

> 100

> 100

mN

  1. Compression (par exemple, essai de pénétration instrumenté) et traction (par exemple, mesures d'adhésion sur fluides)
  1. à 2 N, ≤ 65 à 20 N
  1. signal-to-noise ratio 106
  1. avec le module logiciel QCSM, uniquement

Caractéristiques techniques de la tête de mesure latérale

Tête de mesure latérale (LFU)

Descriptif

Valeur

N° Article

1021148

Capacité, maxi (Fmax), latéral[1]

env. 2

N

Mesure de la force, résolution numérique

≤ 0,02

μN

Mesure de la froce, bruit

≤ 6

μN

Course, maxi.[1]

env. 75

μm

Mesure de la course, résolution numérique

≤ 0,002

nm

Mesure de la course, bruit

≤ 0,5

nm

  1. Compression et traction

Domaines d'utilisation (exemples)

  • Développement de couches souples (polymère) à rigides (dépôts de type diamant)
  • Détermination de la contrainte critiques de fissuration ou déformation plastique
  • Couches dures pour outils et comme protection contre les rayures
  • Revêtements protecteurs sur verres de lunettes
  • Peinture et couches Sol-Gel
  • Mesure automatique de la courbe de dureté sur micro-sections
  • Couches nano pour capteurs et MEMS/NEMS
  • Matériaux biologiques
  • Effets de matrice dans les alliages (mapping)
  • Matériaux céramiques et composites
  • Surfaces à implantation d'ions
  • Analyse des dommages en micro-électronique
  • Détermination de la charge de surface (ELASTICA)

Pour éprouvettes chaudes jusqu'à 400 °C

Le dispositif de chauffage s'adapte dans le ZHN à la place de la mâchoire standard. Il fonctionne par refroidissement passif et ne requiert aucun approvisionnement en eau. Cela permet des mesures de force latérale et Scratch tests sans utilisation de la force latérale.
Probenheizer eingebaut in ein ZHN

Principe de fonctionnement

Deux circuits de chauffage sont utilisés. Une plaque chauffante est disposée en-dessous de l'éprouvette et un cylindre chauffant, logé dans un couvercle au-dessus de l'éprouvette. Une tige Macor, prolongée par la pointe du pénétrateur, pénètre dans le couvercle, puis est chauffée simultanément au volume d'air au-dessus de l'éprouvette. Des sondes de température PT100 sont intégrées aux éléments chauffants.

Le couvercle supérieur peut être retiré après essai. Un contrôle visuel de la surface éprouvette peut alors être réalisé avec une lentille longue portée, sans perdre la précision de positionnement. Une butée presse l'éprouvette et la plaque chauffante par en bas. Aucun adhésif n'est nécessaire à la fixation de l'éprouvette.

Caractéristiques techniques du dispositif de chauffage

Descriptif

Valeur

N° Article

1045659

Température, maxi.

400

°C

Vitesse de chauffage, maxi.

100

K/min

Stabilité de la température

≤ 1

K

Dimensions éprouvette, maxi.

15 x 15 x 5

mm

Dimensions éprouvette, mini.

5 x 5 x 2

mm

Plage de mesure, maxi.

4 x 4

mm

Nanomechanical testing of electromagnetic components

Metering pumps for exhaust-gas aftertreatment and auxiliary heaters, proportional solenoids for camshaft phasing and proportional valves are just some of the products offered by Thomas Magnete GmbH. To be able to guarantee high performance, precision and reliability in all application areas, these products are now being tested with ZwickRoell's ZHN nanomechanical testing system.
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