การวัดความแข็งระดับจุลภาค

การทดสอบ indentation ด้วยเครื่องมือเรียกอีกอย่างว่า nanoindentation เป็นวิธีการวัดความแข็ง การทดสอบวัสดุเป็นส่วนสำคัญในการตรวจสอบคุณสมบัติของพลาสติกและวัสดุยืดหยุ่นเช่น โมดูลัสการเยื้องแบบยืดหยุ่น EIT ความแข็งของการเยื้อง HIT และการเยื้อง C_IT.

 

ซึ่งแตกต่างจากวิธีการวัดความแข็งแบบคลาสสิกตัวอย่างเช่น ตาม Vickers หรือ Martens ซึ่งสามารถกำหนดค่าลักษณะเฉพาะได้เพียงค่าเดียว การระบุความแข็งระดับจุลภาคช่วยให้สามารถวัดค่าพารามิเตอร์เฉพาะของวัสดุหลายอย่างขึ้นอยู่กับความลึกได้อย่างแม่นยำ พื้นที่หลักของการใช้นาโนอินเทชั่น คือการทดสอบสีเคลือบกัลวานิกวัสดุแข็งและโพลีเมอร์

indentation hardness HIT เป็นการวัดความต้านทานของวัสดุต่อการเสียรูปถาวร (= พลาสติก) โดยปกติจะกำหนดด้วยกำลังสูงสุด ความแข็งของการเยื้องสามารถเปลี่ยนเป็นความแข็งของวิคเกอร์ได้ แต่การแปลงนี้จะต้องทำเครื่องหมายไว้อย่างชัดเจน

 

ตรงกันข้ามกับความแข็งของ Martens HM ให้ข้อมูลเกี่ยวกับคุณสมบัติทั้งพลาสติกและวัสดุยืดหยุ่น ความแข็งของ Martens คำนวณจากความลึกของการเยื้องภายใต้โหลด

 

โมดูลัสของการเยื้อง EIT เป็นค่าความยืดหยุ่นและพารามิเตอร์ที่สำคัญที่สุดสำหรับการใช้งานทั้งหมดที่มีวัสดุยืดหยุ่น คำนวณจากระยะการเยื้องขณะขนถ่าย

 

พฤติกรรมการคืบ CIT อธิบายถึงการเสียรูปเพิ่มเติมของวัสดุภายใต้แรงคงที่ ในการกำหนดค่านี้หัวกดจะถูกกดลงในตัวอย่างด้วยแรงคงที่ในช่วงเวลาที่นานขึ้น (นาทีถึงชั่วโมง) โพลีเมอร์และวัสดุอื่น ๆ ที่มีแนวโน้มที่จะเล็ดลอดออกมาอย่างต่อเนื่องจะส่งผลต่อความดันดังนั้นความลึกของการเยื้องจึงเพิ่มขึ้น

 

โมดูลัสการจัดเก็บและโมดูลัสการสูญเสีย (E ’และ E”) อธิบายว่าวัสดุทำงานอย่างไรภายใต้แรงสั่น โมดูลัสการจัดเก็บหมายถึงส่วนประกอบที่ยืดหยุ่น เป็นสัดส่วนกับเศษส่วนของพลังงานการเปลี่ยนรูปที่เก็บไว้ในวัสดุและสามารถกู้คืนจากวัสดุได้หลังจากการขนถ่าย ในทางกลับกันโมดูลัสการสูญเสียแสดงถึงส่วนที่มีความหนืด มันสอดคล้องกับส่วนหนึ่งของพลังงานที่สูญเสียไปเมื่อถูกเปลี่ยนเป็นความร้อนระหว่างการบีบอัด

 

เพื่อให้สามารถกำหนดพารามิเตอร์ได้หลากหลายอุปกรณ์ การวัดความแข็งระดับจุลภาค ของ Fischer มีโหมดการวัดที่แตกต่างกัน

 

ในวิธี ESP หัวกดจะถูกโหลดซ้ำๆ และยกเลิกการโหลด สิ่งนี้เกิดขึ้นพร้อมกับแรงที่เพิ่มขึ้นจนกว่าจะถึงแรงสูงสุดที่กำหนดไว้ล่วงหน้า สิ่งนี้ช่วยให้สามารถกำหนดค่าพารามิเตอร์ที่ขึ้นอยู่กับแรงและความลึกได้อย่างรวดเร็วเช่นโมดูลัสยืดหยุ่นของการเยื้อง (EIT) ความแข็งของการเยื้อง (HIT) และความแข็งของวิคเกอร์ (HV) ทั้งหมดนี้อยู่ที่เดียวกันบนตัวอย่าง

วิธีนี้มีประโยชน์อย่างยิ่งเมื่อทดสอบชั้นบางๆ การวัดขึ้นอยู่กับความลึกช่วยให้กำหนดพารามิเตอร์ของการเคลือบที่แรงต่ำมากโดยไม่ได้รับอิทธิพลจากวัสดุพิมพ์ เมื่อแรงเพิ่มขึ้นก็สามารถวิเคราะห์การเปลี่ยนจากการเคลือบเป็นวัสดุฐานได้เช่นกัน

โหมดไดนามิกขึ้นอยู่กับการวิเคราะห์เชิงกลแบบไดนามิก (DMA) ในขณะที่ DMA มีไว้สำหรับการทดสอบวัสดุที่เป็นของแข็ง แต่โหมดไดนามิกของ Fischer ช่วยให้สามารถกำหนดลักษณะเฉพาะของวัสดุในเครื่องชั่งที่มีขนาดเล็กกว่ามากเช่น การเคลือบสีเช่นสีรถยนต์ ด้วยเหตุนี้หัวกดจึงถูกกดลงในพื้นผิวด้วยแรงที่เพิ่มขึ้นและลดลงแบบไซน์ - ทั้งหมดนี้มีความกว้างเพียงไม่กี่นาโนเมตร สิ่งนี้ช่วยให้สามารถกำหนดคุณสมบัติต่างๆเช่นโมดูลัสยืดหยุ่นและโมดูลิการจัดเก็บและการสูญเสีย

 

เช่นเดียวกับวิธีการทั้งหมดมีปัจจัยที่สามารถส่งผลต่อการวัดได้ สำหรับการระบุนาโนนอกเหนือจากการสึกหรอของหัวกดและอุณหภูมิปัจจัยที่สำคัญที่สุดคือการสั่นสะเทือนและความหยาบ

 

Fischer ใช้เฉพาะหัวกดที่ทำจากเพชรธรรมชาติเท่านั้นเนื่องจากมีความทนทานเป็นพิเศษ อย่างไรก็ตามพวกเขาจะเสื่อมสภาพหลังจากการวัดหลายครั้ง เคล็ดลับจะกลมและสูญเสียรูปร่างที่กำหนดไว้อย่างชัดเจน ในระดับหนึ่งผลกระทบนี้สามารถชดเชยได้โดยการวัดบนวัสดุอ้างอิงเช่น แก้วบอโรซิลิเกต เมื่อเสื่อม

 

อุณหภูมิมีบทบาทสำคัญในการวัดความแข็งและความยืดหยุ่นทั้งหมด วัสดุหลายชนิดโดยเฉพาะอย่างยิ่งพอลิเมอร์ชนิดนิ่มพบการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติแม้อุณหภูมิจะผันผวนเล็กน้อยก็ตาม นี่คือเหตุผลที่ต้องกำหนดอุณหภูมิโดยรอบในระหว่างการวัด

นอกจากนี้เทคโนโลยีการตรวจวัดเองก็ตอบสนองต่ออุณหภูมิ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อทำการวัดเป็นเวลาหลายชั่วโมงความร้อนอาจเกิดขึ้นในอุปกรณ์ได้ เมื่อส่วนต่างๆขยายตัวก็จะบิดเบือนผลลัพธ์

 

แผ่นหินแข็งธรรมชาติในเครื่องมือ HM2000 และ PICODENTOR HM500 ทำให้มีความเสถียรมากทั้งในรูปแบบและอุณหภูมิ ทำให้สามารถทำการวัดได้หลายชั่วโมงโดยไม่ได้รับอิทธิพลจากอุณหภูมิ

สาเหตุส่วนใหญ่ของการวัดที่ไม่ถูกต้องคือการสั่นสะเทือน เมื่อโหลดการทดสอบต่ำผลลัพธ์อาจผิดเพี้ยนได้แม้กระแสลมเบาๆ จากระบบระบายอากาศหรือการสั่นสะเทือนในพื้นเนื่องจากเสียงฝีเท้า สำหรับการวัดที่ละเอียดอ่อน Fischer ขอแนะนำให้เลือกตำแหน่งที่มีการสั่นสะเทือนต่ำ (เช่น ห้องใต้ดิน) และใช้กล่องวัดแบบปิดพร้อมโต๊ะกันความชื้น

 

ด้วยพื้นผิวที่ขรุขระหัวกดจะไม่สัมผัสกับพื้นผิวของตัวอย่างเสมอไป นั่นเป็นสาเหตุที่ผลลัพธ์มักจะสร้างซ้ำได้ยาก ถ้าเป็นไปได้ควรขัดผิวหยาบก่อนทำการวัดมิฉะนั้นควรทำการวัดเปรียบเทียบหลาย ๆ ครั้ง