سختی یا توانایی یک ماده برای مقاومت در برابر نیروهای خارجی همیشه نقش مهمی در تعیین کاربرد آن برای اهداف عملی داشته است. در علم مواد، سختی اغلب به عنوان مقاومت در برابر تغییر شکل موضعی تعریف می شود. تغییر شکل می تواند از فرورفتگی، خراشیدگی، برش یا خم شدن باشد. سختی فلزات، آلیاژها، سرامیک ها و بیشتر پلیمرها معمولاً با تغییر شکل پلاستیک یا دائمی سطح مرتبط است. سختی الاستومرها و برخی پلیمرها، از سوی دیگر، با تغییر شکل الاستیک یا قابل بازیافت سطح همراه است.

تست‌های سختی و تکنیک‌های اندازه‌گیری مختلف برای بررسی کیفیت مواد، حفظ یکپارچگی ساختاری، و تعیین محدوده کاری و شرایط عملکردی و بهینه مواد استفاده می‌شود.

تورفتگی: روش متعارف

تست‌های فرورفتگی مختلف مانند تست سختی ویکرز، تست سختی Knoop، تست سختی راکول و غیره، بسته به ماده مورد نظر، اغلب برای تعیین سختی ماده و آزمایش سایر خواص مکانیکی آن استفاده می‌شوند. در این آزمایش‌ها، یک نوک سخت (معمولاً از الماس) که خواص مکانیکی آن مشخص است در نمونه‌ای که خواص آن ناشناخته است فشرده می‌شود. با نفوذ بیشتر نوک به داخل نمونه، بار قرار داده شده بر روی نوک فرورفتگی افزایش می یابد تا به مقدار تعریف شده توسط کاربر برسد. بار ممکن است برای مدتی ثابت نگه داشته شود یا پس از رسیدن به این نقطه برداشته شود. مساحت فرورفتگی باقیمانده در نمونه اندازه گیری می شود و سختی آن اندازه گیری می شود اچ، با تقسیم حداکثر بار محاسبه می شود، پ_حداکثرتوسط ناحیه فرورفتگی باقیمانده، آ [1, 2]:

این آزمایش‌های فرورفتگی برای نمونه‌های همگن ضخیم به خوبی کار می‌کردند، اما برای موادی با پوشش‌های نازک یا لایه‌های نازک که روی آن‌ها قرار گرفته بودند، ناموفق بودند، زیرا به اعمال مقادیر زیادی بار و در نتیجه، سطح کلی فرورفتگی نیاز دارند. برای حل این مشکل و ارتقای پیشرفت علمی، نیاز به به حداقل رساندن ناحیه فرورفتگی در طول آزمایش و در عین حال تعیین دقیق خواص مکانیکی ماده احساس شد. این امر منجر به توسعه تکنیک نانو تورفتگی در اواسط دهه 1970 شد.

Nanoindentation: مسیر نجات

نانو فرورفتگی در آزمون‌های ماکرو و میکرو فرورفتگی معمولی با فرورفتگی در مقیاس نانو با شکل نوک بسیار دقیق، وضوح فضایی بالا و با ارائه داده‌های جابجایی بار در زمان واقعی (به سطح) در حالی که فرورفتگی در حال انجام است، بهبود یافته است. [3].

در آزمایش‌های نانو تورفتگی، از بارهای کوچک و اندازه نوک برای ایجاد سطح فرورفتگی خالص در نانومتر استفاده می‌شود.². یک فرورفتگی با هندسه شناخته شده به دقت بالا (به طور کلی یک نوک برکوویچ) استفاده می شود، یک رکورد از عمق نفوذ ایجاد می شود، و مساحت فرورفتگی با استفاده از هندسه شناخته شده نوک فرورفتگی تعیین می شود. هنگام فرورفتگی، پارامترهای مختلفی مانند بار و عمق نفوذ را می توان اندازه گیری کرد تا منحنی های بار-جابجایی به دست آید. منحنی های بار-جابجایی را می توان بیشتر برای تعیین (الف) جابجایی نسبت به سطح اولیه تغییر شکل نیافته استفاده کرد. ساعت، (ب) حداکثر جابجایی، ساعت_حداکثر، (ج) عمق نفوذ دائمی پس از تخلیه کامل تورفتگی، ساعت_f، و (د) اس سفتی تخلیه الاستیک است.

حداقل کاوش حداکثر اطلاعات

به نظر می‌رسد که نانو دندانه‌کاری نسبت به بسیاری از روش‌های فرورفتگی معمولی برتری دارد، زیرا امکان تعیین دقیق بسیاری از خواص مکانیکی غیر از سختی را فراهم می‌کند. سختی را می توان با تقسیم حداکثر بار بدست آورد، پ_حداکثربر اساس ناحیه فرورفتگی، مدول A. یانگ و حساسیت نرخ کرنش دو ویژگی مهمی هستند که می‌توان از آزمایش‌های نانو فرورفتگی که برای انتخاب مواد و طراحی جزء مهم هستند، به دست آورد.

مدول یانگ

مدول یانگ، یا توانایی ماده برای مقاومت در برابر تغییرات ابعادی هنگام قرار گرفتن در معرض کشش یا فشار، معیاری از سختی یک ماده جامد است. شیب منحنی بار-عمق، دپ/dساعت، هنگام تخلیه نشان دهنده سفتی است، اس، از مواد در حال آزمایش. این شامل کمکی از مواد در حال آزمایش و پاسخ خود indenter است. برای محاسبه مدول یانگ کاهش یافته می توان از سفتی کنتاکت استفاده کرد E_r [4, 5]:

جایی که آ_پ ناحیه پیش بینی شده فرورفتگی در عمق تماس است ساعت_ج و β یک ثابت هندسی است که مقدار آن به طور کلی به عنوان واحد در نظر گرفته می شود. مدول کاهش یافته E_r مربوط به مدول یانگ است E_س نمونه آزمایشی از طریق رابطه زیر:

در معادله فوق، زیرنویس “i” و “s” به ترتیب ویژگی ماده و نمونه را نشان می دهد و υ نسبت پواسون است. برای نوک فرورفتگی الماس Berkovich، E_من 1140 GPa و υ 0.07 است. نسبت پواسون از نمونه معمولاً بین 0 تا 0.5 برای بیشتر مواد متغیر است و معمولاً حدود 0.3 است.

حساسیت نرخ کرنش

نرخ کرنش نرخ تغییر در کرنش (تغییر شکل) یک ماده با توجه به زمان است. یک ماده به نرخ کرنش حساس است اگر رابطه تنش-کرنش آن به سرعت بارگذاری وابسته باشد. در آزمایش‌های نانو تورفتگی، حساسیت نرخ کرنش ماده با استفاده از توان حساسیت نرخ کرنش مورد مطالعه قرار می‌گیرد. متر، که مقاومت ماده برای جلوگیری از گردن شدن در هنگام تغییر شکل یک ماده است. از نظر ریاضی، شیب سختی در مقابل نمودار نرخ کرنش معادل است که در مقیاس log-log رسم شده است.

نرخ کرنش معادل را می توان از نرخ بارگذاری و حداکثر بار اعمال شده به دست آورد پ با استفاده از معادله زیر:

توان حساسیت نرخ کرنش متر به عنوان … تعریف شده است:

مدل‌های تغییر شکل مختلف برای توضیح مکانیسم تغییر شکل اصلی در ماده‌ای مانند تغییر شکل پلاستیکی ناشی از ناحیه آسیب‌دیده مرز دانه و مکانیسم انتشار نابجایی جزئی به کمک مرز دانه، به توان حساسیت نرخ کرنش تکیه می‌کنند. [6, 7]. حساسیت نرخ کرنش ماده ابزار مفیدی برای انتخاب مواد برای محیط‌هایی است که سطوح تنش و کرنش متفاوتی دارند.

Nanoindentation: دیدگاه آینده

نانو فرورفتگی تلاش های ما را برای تعیین خواص مکانیکی مختلف آسان کرده است. این روش صرفه جویی در زمان، صرفه جویی در مواد و بسیار قابل اعتماد است که برای طیف وسیعی از مواد از لایه های حجیم تا لایه های نازک استفاده می شود. برخی از تجهیزات نانو تورفتگی مانند Hysitron Tl 950 Triboindenter همچنین دارای نرم‌افزار داخلی هستند که سختی، مدول یانگ و سایر ویژگی‌های مرتبط را محاسبه می‌کند که احتمال خطای انسانی را در طول محاسبات به حداقل می‌رساند. در آینده می توان از این تکنیک برای ارزیابی سریع و آسان مواد نسل جدید استفاده کرد.

این مقاله توسط جی امریش دسای نوشته شده است، Ph.D. در علم و مهندسی مواد با علاقه ویژه به مواد دو بعدی.

[1] اولیور، وارن سی، و فار، جورج ام.، تکنیک بهبود یافته برای تعیین سختی و مدول الاستیک با استفاده از آزمایش‌های فرورفتگی حسگر بار و جابجایی، مجله تحقیقات مواد، 1564، 1992.

[2] اولیور، وارن سی، و فار، ژرژ ام.، اندازه‌گیری سختی و مدول الاستیک با فرورفتگی ابزاری: پیشرفت‌ها در درک و اصلاح روش‌شناسی، مجله تحقیقات مواد، 3، 2004.

[3] مینور، اندرو ام.، آصف، SA سید، شان، ژیوی، استاچ، اریک آ.، سیرانکوفسکی، ادوارد، وایروبک، توماس جی و وارن، اودن ال.، دیدگاهی جدید از شروع پلاستیسیته در طول نانو تورفتگی آلومینیوم مواد طبیعت، 697، 2006.

[4] لی، ژیائودونگ و بوشان، بهارات، مروری بر تکنیک اندازه‌گیری سفتی پیوسته نانو فرورفتگی و کاربردهای آن، مشخص‌سازی مواد، 11، 2002.

[5] Ehtemam-Haghighi, Shima, Cao, Guanghui, and Zhang, Lai-Chang, Nanoindentation مطالعه خواص مکانیکی آلیاژهای مبتنی بر Ti با افزودن آهن و Ta, مجله آلیاژها و ترکیبات, 892, 2017.

[6] Gu، CD، Lian، JS، Jiang، Q.، و ژنگ، WT، تحقیقات تجربی و مدل‌سازی روی حساسیت نرخ کرنش یک دانه نیکل با اندازه 20 نانومتر رسوب‌گذاری شده، مجله فیزیک D: فیزیک کاربردی، 7440، 2007.

[7] Desai, Jay A., and Kumar, Alok, اثر آلیاژ آهن در تکامل نانوساختار و پایداری ریزساختاری در نیکل, Metals and Materials International, 451, 2016.