Nanoindentasyon ile malzeme testi

Nanoindentasyon sertlik ölçmek için bir yöntemdir. Malzeme testinin önemli bir parçası olarak, elastik indentasyon modülü E_IT, indentasyon sertliği H _BT ve dalma sürünmesi (creep) C _IT .

gibi plastik ve elastik malzeme özelliklerinin belirlenmesine hizmet eder >

Sadece tek bir karakteristik değeri belirleyebilen klasik sertlik ölçüm yöntemlerinin (örneğin Vickers veya Martens'e göre) aksine, nanoindentasyon birkaç malzemeye özgü parametrenin çok kesin, derinliğe bağlı bir ölçümünü mümkün kılar. Nanoindentasyonun ana uygulama alanları boya, galvanik kaplamalar, sert malzemeler ve polimerlerin test edilmesidir.

İndentasyon sertliği H _BT , malzemenin kalıcı (= plastik) deformasyona karşı direncinin bir ölçüsüdür. Genellikle maksimum kuvvetle belirlenir. İndentasyon sertliği Vickers sertliğine dönüştürülebilir, ancak bu dönüşüm açıkça belirtilmelidir.

 

İndentasyon sertliğinin aksine, Martens sertliği HM hem plastik hem de elastik malzeme özellikleri hakkında bilgi sağlar. Martens sertliği, yük altındaki indentasyon (dalma) derinliği boyunca hesaplanır.

 

İndentasyon modülü E _IT bir elastikiyet değeri ve elastik malzemelerle yapılan tüm uygulamalar için en önemli parametredir; boşaltma sırasında dalmanın seyrinden hesaplanır.

Creep davranışı C _IT malzemenin sabit kuvvet altında daha fazla deformasyonunu tarif eder. Bu değeri belirlemek için, dalma ucu daha uzun bir süre (dakikalar ila saatler) sabit kuvvetle numuneye bastırılır. Creep eğilimi gösteren polimerler ve diğer malzemeler sürekli olarak basınca yol açar, böylece indentasyon (dalma) derinliği artar.

 

Storage ve loss modülü (E 've E ”), malzemenin salınım kuvveti altında nasıl davrandığını açıklar. Storage modülü elastik bileşeni temsil eder; malzemede depolanan ve boşaltıldıktan sonra malzemeden geri kazanılabilen deformasyon enerjisi fraksiyonu ile orantılıdır. Loss modülü ise viskoz kısmı temsil eder; enerjinin sıkıştırma sırasında ısıya dönüştüğü için kaybedilen kısmına karşılık gelir.

 

Çok çeşitli parametreleri belirleyebilmek için Fischer'ın nanoindentasyon cihazları farklı ölçüm modları sunar.

 

ESP yönteminde, uç yavaş yavaş yüklenir ve boşaltılır. Bu, önceden tanımlanmış maksimum kuvvete ulaşılana kadar artan kuvvetle olur. Bu, dalmanın elastik modülü (E _IT ), indentasyon sertliği (H _IT ) ve Vickers sertliği (HV),

gibi numunenin üüzerindeki gibi parametrelerin hızlı ve derinliğe bağlı olarak belirlenmesini sağlar.

Bu yöntem özellikle ince katmanları test ederken kullanışlıdır. Derinliğe bağlı ölçüm, kaplamanın parametrelerinin, baz malzemeden etkilenmeden çok düşük kuvvetlerde belirlenmesini sağlar. Kuvvet arttıkça kaplamadan baz malzemeye geçiş de analiz edilebilir.

Dinamik mod, dinamik-mekanik analize (DMA) dayanır. DMA katı malzeme testi için tasarlanmış olsa da, Fischer'ın dinamik modu, malzemelerin çok daha küçük kalınlık ölçeklerinde, örn. araba boyaları gibi kaplamaların karakteristik özellikleri içindir. Bu amaçla, bir uç yüzeye sinüzoidal olarak artan ve azalan kuvvetle bastırılır - hepsi sadece birkaç nanometre genlikte. Bu, elastik modül ve storage ve loss modülleri gibi özelliklerin belirlenmesine izin verir.

Tüm yöntemlerde olduğu gibi, ölçümü etkileyebilecek faktörler de vardır. Nanoindentasyon için, ucun aşınması ve sıcaklığın yanı sıra, en önemli faktörler titreşimler ve pürüzlülüktür.  

Fischer son derece dayanıklı oldukları için sadece doğal elmaslardan yapılmış uçlar kullanır. Bununla birlikte, birçok ölçümden sonra aşınırlar. Uçlar daha yuvarlak hale gelir ve açıkça tanımlanmış şekillerini kaybeder. Belli bir dereceye kadar, bu etki, bir referans malzeme ile kompanze edilir, örneğin; borosilikat cam. Yine de aşındıktan sonra uç değiştirilmelidir.

 

 

Sıcaklık, sertlik ve elastikiyetin tüm ölçümlerinde önemli bir rol oynar. Özellikle yumuşak polimerler olmak üzere birçok malzeme, nispeten küçük sıcaklık dalgalanmalarında bile özelliklerinde değişiklik yaşar. Bu nedenle, ortam sıcaklığı ölçüm sırasında tanımlanmalıdır.

Ayrıca, ölçüm teknolojisinin kendisi sıcaklığa tepki verir. Özellikle birkaç saat boyunca ölçüm yaparken, cihazda ısı oluşabilir. Farklı parçalar genişlediğinde, sonuçları deforme eder.  

HM2000 ve PICODENTOR HM500 cihazlarındaki doğal sert taş plaka, onları hem form hem de sıcaklık açısından çok kararlı hale getirir. Bu, ölçümlerin sıcaklıktan etkilenmeden birkaç saat içinde yapılmasına izin verir.

Yanlış ölçümlerin en yaygın nedeni titreşimdir. Düşük test yüklerinde, havalandırma sistemlerinden gelen hafif hava akışı veya ayak sesleri nedeniyle zemindeki titreşimler nedeniyle sonuçlar bozulabilir. Hassas ölçümler için Fischer, düşük titreşimli bir yer (örn. Bir bodrum) seçmenizi ve sönümleme tablalarına sahip kapalı ölçüm kabinleri kullanmanızı önerir.

 

Pürüzlü yüzeylerde, ölçme ucu her zaman numunenin yüzeyi ile düzgün temas etmez. Bu nedenle sonuçların tekrarlanabilirliği iyi değildir. Mümkünse, pürüzlü yüzeyler ölçümden önce cilalanmalıdır, aksi takdirde birkaç karşılaştırmalı ölçüm yapılmalıdır.