ÚVOD DO INSTRUMENTOVANÉHO VTLAČOVÁNÍ

ÚVOD DO INSTRUMENTOVANÉHO VTLAČOVÁNÍ

Instrumentované vtlačování

Instrumentovaný indentační tester od společnosti Rtec Instruments je dalším krokem v charakterizaci materiálů v malém měřítku..

Instrumentované vtlačování Úvod

Od té doby, co Tabor ve své knize z roku 1951 definoval tvrdost jako kontaktní tlak, jsou vyvíjeny zkoušečky tvrdosti. Ty nyní nabízejí různé stupnice tvrdosti (Brinell, Vickers, Rockwell) pro různé materiály a oblasti použití. Tyto zkoušečky tvrdosti však měří pouze jednu vlastnost: tvrdost. Miniaturizace elektroniky navíc nutí materiálové vědce zkoumat vlastnosti materiálů na menších a menších vzorcích.

Novou techniku navrhli v roce 1992 George Pharr a Warren Oliver, kteří pokračovali v práci svého učitele Billa Nixe. Tato nová technika, nazývaná Depth sensing indentation (vtlačování se snímáním hloubky; DSI) nebo Instrumented Indentation Testing (instrumentované zkoušení vtlačováním; IIT), určuje jak tvrdost určenou vtlačováním, tak modul pružnosti zkoušeného materiálu. IIT posouvá zkoušení tvrdosti o krok dál.

Problematika zkoušení

Inženýři jsou zvyklí získávat modul pružnosti z tahových zkoušek a tvrdost ze zkoušečky tvrdosti. To dobře funguje pro většinu sypkých materiálů a materiálů s velkými vzorky. Miniaturizace spotřební elektroniky však nutí inženýry měřit modul a tvrdost v mnohem menším měřítku a s mnohem menšími vzorky. Například určení modulu fólie o tloušťce 50 mikronů na výrobku je ve zkoušečce tahu velice složité, ne-li nemožné.

ÚVOD DO INSTRUMENTOVANÉHO VTLAČOVÁNÍ

Většina zkoušeček tvrdosti se spoléhá na optické pozorování a měření vtisku pod mikroskopem. To však způsobuje chyby obsluhy a nejistotu v důsledku různých zvětšení dostupných na mikroskopu. Tato měření se navíc stávají extrémně obtížnými, pokud vtisk dosahuje pouze několika mikronů. Tím se vysvětluje, proč je tradiční tvrdost omezena na malé síly a malé objemy materiálů.

Metodologie vtlačování

Podobně jako při zkoušce tvrdosti tlačí diamantový hrot se zvyšující se silou do vzorku (obrázek 1). Když je dosaženo maximální síly (nebo maximálního posunutí), síla se uvolní, aby se hrot zvedl z povrchu. Během zatížení i odlehčení povrchu se zaznamenává vertikální posunutí hrotu.

Obrázek 1: Vtlačování do vzorku

Obrázek 1: Vtlačování do vzorku
ÚVOD DO INSTRUMENTOVANÉHO VTLAČOVÁNÍ

Závislost posunutí při vtlačení na zatížení

Síla a posunutí do vzorku se vynášejí do jednoho grafu, jak je znázorněno na obrázku 2. Tyto křivky závislosti hloubky vtlačení na zatížení se pak používají pro výpočet modulu pružnosti a tvrdosti zkoušeného vzorku.

Obrázek 2: Křivka závislosti posunutí při vtlačení na zatížení

Analýza zkoušky

Tvrdost HIT jakožto kontaktní tlak se vypočítává vydělením maximální síly Fm působící na vzorek plochou příčného průřezu Ap hrotu v této maximální hloubce hm. Maximální síla se získává z křivky závislosti posunutí na zatížení. Potom se vypočítává plocha příčného průřezu s použitím maximální hloubky hm dosažené hrotem a geometrie použitého hrotu.

ÚVOD DO INSTRUMENTOVANÉHO VTLAČOVÁNÍ
ÚVOD DO INSTRUMENTOVANÉHO VTLAČOVÁNÍ Obrázek 3: Hodnoty křivky závislosti posunutí na zatížení použité ​pro výpočty tvrdosti
ÚVOD DO INSTRUMENTOVANÉHO VTLAČOVÁNÍ

Během odlehčovací části zkoušky, když je vytažen hrot, je jedinou silou působící na hrot elastická odezva vzorku. Proto odlehčovací křivka vyjadřuje elastickou obnovu zkoušeného materiálu. Určuje se strmost odlehčovací křivky, která odpovídá tuhosti S daného materiálu. Tato tuhost se pak používá ve spojení s plochou příčného průřezu Ap pro výpočet modulu pružnosti EIT.

Z křivek závislosti posunutí na zatížení lze zjistit ještě další míry, které jsou popsány v normách pro instrumentované vtlačování ASTM E2546 a ISO 14577.

Obrázek 4: Tuhost naměřená z křivky závislosti posunutí na zatížení, použité pro výpočty modulu pružnosti

ÚVOD DO INSTRUMENTOVANÉHO VTLAČOVÁNÍ

Instrumentované vtlačování – výsledky zkoušek

S použitím instrumentovaného vtlačování je možné zkoušet mnoho různých materiálů. Tato technika je dobře odzkoušená a nabízí přímý způsob určení modulu pružnosti a tvrdosti pro vzorky, které by jinak bylo obtížné zkoušet v tradičním zkušebním uspořádání.

Vtlačování do skla

Sklo se často zkouší s ohledem na stabilitu. Obrázek 5 znázorňuje křivky závislosti posunutí na zatížení pro 10 vtisků provedených do 1 N na kusu roztaveného křemene. Výsledky jsou uvedeny v tabulce 1.

 

Průměr

Směrodatná odchylka

Směrodatná odchylka %

HIT(Gpa)

10,99

0,27

2,46 %

Er (Gpa)

74,67

1,15

1,54 %

EIT(Gpa)

72,68

1,19

1,64 %

Tabulka 1: Výsledky vtlačování pro roztavený křemen

Obrázek 5: Křivky vtlačování pro 10 vtisků v roztaveném křemeni.

ÚVOD DO INSTRUMENTOVANÉHO VTLAČOVÁNÍ

Vtlačování do kovů

Kovy mají širší škálu vlastností v elastickém i plastickém rozsahu. Obrázek 6 znázorňuje křivky závislosti posunutí na zatížení pro ocelový vzorek zkoušený při různých zatíženích za účelem prozkoumání možných změn vlastností v závislosti na hloubce.

Obrázek 6: Křivky vtlačování pro vtisky při různých zatíženích pro ocelový vzorek

ÚVOD DO INSTRUMENTOVANÉHO VTLAČOVÁNÍ

Vtlačování do polymerů

Polymery mohou být rovněž charakterizovány pomocí vtlačování, jak je znázorněno na obrázku 7 pro vzorek PMMA zkoušený na 10 různých místech.

ÚVOD DO INSTRUMENTOVANÉHO VTLAČOVÁNÍ Obrázek 7: Vtlačování Vickersova hrotu ​ do vzorku PMMA
ÚVOD DO INSTRUMENTOVANÉHO VTLAČOVÁNÍ Obrázek 8: Křivky vtlačování pro 10 vtisků na vzorku PMMA
ÚVOD DO INSTRUMENTOVANÉHO VTLAČOVÁNÍ

V některých situacích jsou stále vyžadována tradiční měření tvrdosti. Kombinace hlavy vnikového tělíska s lambda profilometrem umožňuje plné měření vtlačení zanechaného v materiálu. Rovněž to umožňuje vypočítávat tvrdost na tradičních stupnicích, jako jsou Vickersova, Brinellova a další. Po vtlačování může přístroj automaticky pořídit snímky každého vtisku pro další analýzu.

Obrázek 9: Přímé měření tvrdosti podle Vickerse v softwaru přístrojů RTEC za použití pořízených konfokálních snímků.

Závěry

Instrumentované vtlačování je dalším krokem při charakterizaci materiálů v malých měřítkách. Metoda vzešlá ze zkoušení tvrdosti posouvá vtlačovací zkoušení na novou úroveň zahrnutím modulu pružnosti a dalších vlastností. Oproti svému předchůdci, zkoušečce tvrdosti, umožňuje instrumentované vtlačování plně automatické měření tvrdosti a modulu s vyšší přesností. Ve výsledku je instrumentované vtlačování jediným způsobem, jak zjistit mechanické vlastnosti vzorků malé velikosti
a komplexních materiálových systémů.

Kromě toho umožňuje kombinace vtlačování
a měření profilů bezkonkurenční měření
a vizualizaci vytvořených vtisků.

Literatura

Oliver, W. and Pharr, G. (1992). An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments. Journal of Materials Research, 7(06), pp. 1564–1583.

Oliver, W. and Pharr, G. (2004). Measurement of hardness and elastic modulus by instrumented indentation: Advances in understanding and refinements to methodology. Journal of Materials Research, 19(1), pp. 3–20.

International Standards Office (2015). ISO 14577-1 Kovové materiály – Instrumentovaná vnikací zkouška pro stanovení tvrdosti a materiálových parametrů. Ženeva: ISO.

ASTM International (2015). ASTM E2546 – 15 Standardní postupy pro instrumentované zkoušení vtlačováním. Conshohocken: ASTM.

Další článek