Pindah ke halaman konten

Nanoindentation

Kecenderungan miniaturisasi komponen telah menciptakan kebutuhan yang sesuai untuk metode penentuan kapasitas beban mekanis dari komponen yang sangat kecil ini. Di sinilah nanoindentation berperan: tes indentasi berinstrumen dalam rentang nano. Lapisan tertipis diuji untuk kekerasan, kekuatan ikatan internal, dan keausan — semuanya nanoindentation. 

Nama Jenis Ukuran Unduh
  • Brosur Industri: Akademisi PDF 4 MB

Keragaman Nanoindentation

Penggunaan material terus menurun dengan inovasi teknologi. Untuk alasan ini, nanoindentation menjadi teknik yang disukai untuk menentukan sifat mekanik material pada skala mikro dan nano. Sistem pengujian — yang disebut nanoindenters — mencakup berbagai aplikasi. Penggunaan material terus menurun dengan inovasi teknologi. Untuk alasan ini, nanoindentation menjadi teknik yang disukai untuk menentukan sifat mekanik material pada skala mikro dan nano. Sistem pengujian — yang disebut nanoindenters — mencakup berbagai aplikasi:

Mengukur kekerasan dan modulus Young ke DIN EN ISO 14577

Pengukuran biasanya dilakukan dengan indentor Berkovich dengan kontrol gaya. Pengukuran yang sangat cepat dapat dilakukan, misalnya dengan beban 10 detik, waktu tahan 5 detik, dan pemindahan beban 4 detik.

Nilai yang terukur:

  • Kekerasan identasi HIT (revaluasi di HV)
  • Kekerasan Martens HM atau HMs
  • Modulus indentasi EIT (modulus elastisitas)
  • Kemuluran indentasi CIT atau relaksasi RIT
  • Rasio komponen deformasi elastis dengan energi indentasi nIT

Lebih dari 60 nilai dapat ditentukan.

Uji baret mikro

Uji ini biasanya dilakukan dengan ujung bulat dengan jari-jari antara 5 dan 10 μm. Tegangan maksimum paling sering di lapisan dan bukan di substrat. Beberapa pemindaian permukaan dimungkinkan. Keausan pada ujung dan dampak kekasaran permukaan dikurangi oleh panjang goresan kecil.

Mengukur kurva tegangan-regangan

Bersama dengan Pusat Penelitian Karlsruhe, sebuah metode telah dikembangkan yang memungkinkan seluruh kurva tegangan-regangan logam ditentukan dari lekukan yang dibuat oleh lekukan bola. Hal ini didasarkan pada penggunaan jaringan saraf untuk mengidentifikasi parameter dan juga mempertimbangkan pengerasan kinematik.

Vickers hardness

Kekerasan Vickers dapat dihitung dari kekerasan indentasi. Sebuah studi komprehensif yang dilakukan oleh Institut Federal untuk Penelitian dan Pengujian Bahan (BAM) membandingkan 20 bahan menggunakan metode kekerasan Vickers konvensional dan metode kekerasan Vickers dengan nilai-nilai yang dihitung dengan algoritma InspectorX dan dievaluasi ulang menggunakan HIT. Hasilnya menunjukkan perbedaan rata-rata <10% vs 25-30% dengan paket perangkat lunak lain.

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

Pengukuran yang bergantung pada kedalaman dengan modul QCSM

Selama pengukuran indentasi pengindraan kedalaman untuk penentuan jika indentasi kekerasan HIT menurut DIN EN ISO 14577, kurva perpindahan beban F (h) diukur dengan beban maksimum tertentu. Kekerasan hanya dapat diindikasikan untuk kedalaman maksimum yang dicapai dalam pengukuran ini. Profil kekerasan sepanjang kedalaman hanya dapat ditentukan dengan mengukur beban yang berbeda di lokasi yang berbeda pada spesimen. Ini adalah prosedur yang memakan waktu dan membutuhkan banyak upaya untuk menganalisis data.

Dengan metode CSM atau QCSM, kekakuan kontak sudah diukur selama pembebanan sebagai hasil bagi dari amplitudo gaya dan amplitudo perpindahan dari osilasi kecil.

Metode Pengukuran Kekakuan Kontinu (CSM) menambahkan osilasi kecil terus menerus ke sinyal gaya. Rasio gaya dan amplitudo perpindahan memberikan kekakuan kontak antara indentor dan spesimen setelah beberapa koreksi, yang mempertimbangkan massa bergerak, frekuensi dan koefisien redaman. Dalam metode CSM, gaya statis selama pembebanan sedikit berbeda untuk setiap osilasi. Ini mempersulit rata-rata beberapa osilasi dan kontrol umpan balik.

Sebaliknya selama metode QCSM gaya meningkat dalam langkah-langkah kecil dan osilasi hanya diaktifkan selama waktu tunggu singkat antara sekitar 0,5 detik dan 3 detik (lihat prinsip metode QCSM). Hal ini memungkinkan rata-rata yang mudah dari beberapa osilasi dan juga kontrol umpan balik lebih akurat. Misalnya ada amplitudo dari 56 osilasi yang diukur pada frekuensi 40 Hz dan waktu tunggu 1,4 detik. Dalam metode QCSM, 20% pertama dari amplitudo yang diukur tidak dipertimbangkan untuk dirata-ratakan guna mengurangi pengaruh creep pada hasil. Ini sangat penting untuk bahan viscose.

Nanoindentation: Investigasi keausan mikro dengan resolusi nanometer

Diamond like Carbon Coatings (DLC) banyak digunakan dalam aplikasi industri karena kekerasan tinggi, gesekan rendah, dan ketahanan korosi yang tinggi. Masih ada perbedaan antara hasil uji keausan industri dalam kondisi aplikasi dan uji keausan laboratorium standar.

Untuk menyelidiki dan memahami mekanisme keausan yang dominan, perlu untuk menyelidiki kontak asperitas tunggal dengan jari-jari kontak antara sekitar 0,1 μm - 20 μm dengan resolusi tinggi. Hampir tidak ada teknik pengukuran keausan pada kisaran beban di bawah 1 N dengan resolusi nanometer dalam pengukuran perpindahan.

Nanoindentation dalam kombinasi dengan pengukuran perpindahan gaya lateral resolusi tinggi sekarang dapat digunakan untuk penyelidikan semacam itu.

Universal Nanomechanical Tester ZHN dengan Lateral Force Unit (LFU) digunakan untuk uji keausan mikro.

  • Kondisi pengujian:
  • 500 siklus geser berosilasi
  • 80 μm amplitudo, kecepatan konstan
  • 6 detik per siklus → kecepatan 26,7 μm/detik
  • Waktu pengukuran 3024 detik
  • Kecepatan data 8 Hz

Pelajari lebih lanjut tentang nanonindenter

Spesimen, indenters, gaya normal

ParameterBahan filmKetebalan film µmKekerasan GpaModulus Young GPaKekuatan luluh GPaRasio Poisson
Sampel 1a-C:H414,512010,90,2
Sampel 2a-C (tinggi sp3)550,054230,10,2
Sampel 3a-C315,01708,80,2
Sampel 4a-C:W (17%)314,51409,50,2
Sampel 5a-C:H (terstruktur)412,21039,00,2
  • Indenter 1: Intan, radius awal 67 μm, 5 gaya 50 mN - 1000 mN
  • Indenter 2: Intan, radius awal 6 μm, 7 gaya 5 mN - 200 mN
  • Indenter 3: Logam keras, radius awal 100 μm, 4 gaya 100 mN - 1000 mN

 

 

 

 

Metodologi eksperimental

Tantangan: Stabilitas termal pengukuran perpindahan selama 1 jam. Tingkat penyimpangan yang diperlukan 0.001 = "">

Ringkasan hasil tingkat keausan

  • Keausan selama gerakan osilasi lambat dan kelembaban sekitar 50% mulai untuk lapisan DLC ketika tekanan kontak sekitar 10% - 30% dari kekuatan luluh.
  • Mekanisme keausan berubah ketika tekanan kontak mencapai kekuatan luluh.
  • Tingkat keausan kira-kira sebanding dengan tekanan kontak untuk permukaan halus. Peningkatan kedalaman per gerakan geser lebih kecil dari 0,15 nm dan karenanya hanya 0 - 2 lapisan atom. Keausan adalah proses berkelanjutan tanpa degradasi partikel.
  • Keausan dimulai pada tekanan kontak normal yang lebih rendah untuk hidrogen yang mengandung DLC.
  • Tingkat kekerasan yang lebih tinggi tidak menguntungkan untuk jenis keausan ini. Pada beban yang sama, tingkat keausan (mutlak) untuk lapisan keras kira-kira sama dengan untuk lapisan lunak.
  • Pasangan yang terbuat dari logam keras menginduksi tingkat keausan sekitar 2,5 kali lebih tinggi daripada ujung berlian.
  • Untuk jenis keausan yang diteliti tidak ada korelasi antara laju keausan dan gesekan.

Pemetaan nanoindentations - uji

Elemen terlemah dalam sistem menentukan perilakunya selama pemuatan. Oleh karena itu, metode uji global lebih menguntungkan. Pemetaan sifat mekanik dengan nanoindenter merupakan langkah menuju karakterisasi global. 

Di bawah ini adalah contoh pengukuran spesimen silika leburan dengan lekukan:

    Beberapa lekukan telah dikenakan pada spesimen silika yang menyatu dengan indentasi bola dengan radius sekitar 10 µm. Indentor yang sama juga digunakan untuk memindai spesimen. Gambar 2 menunjukkan permukaan kaca dengan lekukan 800 mN (kiri atas) dan 2x 500 mN. Lekukan tambahan pada gaya yang lebih rendah sepenuhnya elastis. Satu lekukan pada 200 mN sulit dikenali secara optik, namun, deformasi plastis kecil beberapa nanometer dapat diukur.

    • Pengukuran dilakukan dengan gaya kontak 15 mN. Ini adalah gaya pemindaian yang relatif besar tetapi kontaknya sepenuhnya elastis dan memungkinkan pengukuran gaya lateral yang lebih baik untuk koefisien gesekan kecil yang diharapkan. Rentang pemindaian sesuai dengan ukuran gambar 97 µm x 77,5 µm untuk gambar optik dengan perbesaran tertinggi sekitar 3350 pada layar. Parameter uji lainnya adalah sebagai berikut:
    • 45 baris
    • Waktu pemindaian per baris: 25 detik (untuk resolusi tinggi)
    • Kecepatan data 8 Hz
    • Offset 10% (panjang pindai tambahan di kedua sisi di luar rentang yang dianalisis untuk mengecualikan efek start-stop)
    • Frekuensi osilasi 40 Hz
    • Amplitudo 0,1 V (sesuai dengan perpindahan 5 nm dan gaya amplitudo 0,8 mN)

    Pemetaan sinyal gaya normal memungkinkan deteksi yang jelas dari posisi lekukan karena gaya menjadi lebih rendah saat indentor meluncur ke lekukan dan menjadi lebih besar saat indentasi meluncur keluar. Kontrol gaya tidak cukup cepat untuk membatalkan efek ini.

    Di sini, sedikit distorsi juga terlihat pada posisi lekukan 200 mN. Hasil yang serupa tersedia ketika hanya amplitudo gaya osilasi disajikan (Gambar 4).

    Untuk penentuan modulus Young, tidak hanya kekakuan kontak (yang dapat dengan mudah diperoleh dari gaya terukur dan amplitudo perpindahan) yang diperlukan, tetapi juga kedalaman indentasi yang benar. Oleh karena itu diperlukan koreksi titik nol untuk pengukuran perpindahan. yang dapat dilakukan di jendela analisis yang sama. Hasil pemetaan modulus Young dari fused silica ditunjukkan pada gambar. 5. Nilai yang diharapkan dari 72 GPa dicapai dengan baik di seluruh area dengan pengecualian posisi indentasi. Di sana, model analisis yang mengasumsikan permukaan datar tidak tepat sehingga hasilnya terlalu besar.

    Koefisien gesekan antara ujung berlian dan kaca diperoleh dari rasio gaya lateral dan normal. Hal tersebut ditunjukkan dalam Gambar 6 dan 7. Pada posisi lekukan, gesekan berkurang ke arah gerakan menurut gbr. 3 dan meningkat saat ujung bergerak keluar dari lekukan.

    Di daerah datar, koefisien gesek adalah antara 0,7 - 0,8. Hanya di depan spesimen sedikit lebih rendah. Alasannya tidak jelas.
    Pengukuran semua properti yang disajikan dilakukan selama satu pemindaian, yang relatif lama sekitar tahun 2000-an. Pengurangan waktu pemindaian yang cukup banyak dimungkinkan; namun, gerakan yang lebih cepat dapat menyebabkan penyebaran yang meningkat.

    Aplikasi nanoindentation tambahan

    • Pengembangan pelapisan dari lunak (polimer) ke keras (pelapis tipe berlian)
    • Penentuan tegangan kritis untuk retakan atau deformasi plastis
    • Pelapis bahan keras untuk alat dan sebagai pelindung gores
    • Pelapis pelindung pada kaca
    • Cat dan lapisan sol-gel
    • Pengukuran otomatis jalur kekerasan pada penampang melintang
    • Pelapis nano untuk sensor dan MEMS/NEMS
    • Bahan biologis
    • Efek matriks dalam paduan (pemetaan)
    • Bahan dan komposit keramik
    • Permukaan ion-implan
    • Analisis kerusakan dalam mikroelektronika

    Kami mencari dan menemukan solusi pengujian yang optimal untuk setiap kebutuhan Anda.

    Hubungi pakar industri kami.

    Kami berharap dapat mendiskusikan kebutuhan Anda.

     

    Hubungi kami

    Produk Terkait

    Top