Nanotwardość – pomiar właściwości mechanicznych materiałów w skali nanometrycznej

Rozwój nowoczesnych technologii materiałowych doprowadził do powstania materiałów o bardzo złożonej strukturze mikro- i nanometrycznej. W przypadku cienkich powłok, materiałów kompozytowych, warstw funkcjonalnych czy struktur półprzewodnikowych klasyczne metody pomiaru twardości, takie jak metoda Brinella, Rockwella czy Vickersa, często okazują się niewystarczające. Wynika to z faktu, że pozostawiany odcisk jest zbyt duży w stosunku do badanej struktury.

W odpowiedzi na te ograniczenia opracowano metody pozwalające na analizę właściwości mechanicznych w bardzo małej skali. Jedną z najważniejszych technik jest badanie nanotwardości, określane również jako nanoindentacja.

Nanotwardość pozwala określić odporność materiału na odkształcenie plastyczne przy zastosowaniu bardzo małych sił oraz głębokości penetracji rzędu nanometrów.

Zasada pomiaru nanotwardości

Pomiar nanotwardości polega na wciskaniu w powierzchnię badanego materiału specjalnego wgłębnika diamentowego o określonej geometrii. Podczas badania rejestrowana jest zależność pomiędzy przyłożoną siłą a głębokością penetracji wgłębnika.

Proces badania obejmuje trzy podstawowe etapy:

1. przyłożenie obciążenia i penetracja wgłębnika,
2. osiągnięcie maksymalnego obciążenia,
3. odciążenie i częściowy powrót sprężysty materiału.

Na podstawie zarejestrowanej krzywej obciążenie–przemieszczenie można wyznaczyć szereg właściwości mechanicznych materiału.

Podstawowe parametry wyznaczane podczas badania nanoindentacji

Podczas pomiaru nanotwardości określa się kilka istotnych parametrów mechanicznych.

Nanotwardość

Nanotwardość definiuje się jako stosunek maksymalnej siły nacisku do powierzchni kontaktu wgłębnika z materiałem.$$H = \frac{P_{max}}{A}$$

gdzie:

• $H$ – nanotwardość,
• $P_{max}$– maksymalna siła nacisku,
• $A$– powierzchnia kontaktu.

Moduł sprężystości

Na podstawie analizy odciążenia można wyznaczyć również moduł sprężystości zredukowany materiału.$$E_r = \frac{\sqrt{\pi}}{2} \frac{S}{\sqrt{A}}$$

gdzie:

• $S$– sztywność kontaktu,
• $A$ – powierzchnia kontaktu.

Moduł ten pozwala określić sprężyste właściwości badanego materiału.

Wgłębniki stosowane w badaniach nanotwardości

W nanoindentacji stosuje się specjalne diamentowe wgłębniki o bardzo małych wymiarach.

Najczęściej stosowane typy wgłębników

W praktyce najczęściej stosowany jest wgłębnik Berkovicha, który umożliwia uzyskanie dokładnych wyników przy bardzo małych głębokościach penetracji.

Typowe zakresy nanotwardości wybranych materiałów

Nanotwardość różnych materiałów może się znacznie różnić w zależności od ich struktury oraz składu chemicznego.

Tabela przykładowych wartości nanotwardości

Wartości te mogą się różnić w zależności od mikrostruktury materiału oraz parametrów badania.

Zastosowanie badań nanotwardości

Metoda nanoindentacji znajduje szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach nauki i techniki.

Główne obszary zastosowania

• badania cienkich powłok ochronnych,
• analiza materiałów półprzewodnikowych,
• ocena właściwości materiałów kompozytowych,
• badania materiałów nanostrukturalnych,
• analiza powłok tribologicznych,
• badania biomateriałów.

Dzięki możliwości wykonywania bardzo małych odcisków metoda ta pozwala badać nawet pojedyncze ziarna materiału.

Zalety metody nanoindentacji

Badanie nanotwardości posiada wiele istotnych zalet.

Bardzo wysoka rozdzielczość pomiaru
Możliwość analizy właściwości materiału w skali nanometrycznej.

Minimalne uszkodzenie powierzchni
Odcisk jest bardzo mały, co pozwala badać cienkie warstwy.

Możliwość wyznaczania wielu parametrów
Oprócz twardości można określić moduł sprężystości oraz właściwości plastyczne materiału.

Badanie pojedynczych ziaren materiału
Metoda umożliwia analizę mikrostruktury materiału.

Ograniczenia i trudności pomiarowe

Pomimo licznych zalet metoda nanoindentacji posiada pewne ograniczenia.

Do najważniejszych należą:

• duża wrażliwość na przygotowanie powierzchni próbki,
• konieczność stosowania bardzo dokładnej aparatury pomiarowej,
• wpływ chropowatości powierzchni na wyniki pomiarów,
• skomplikowana interpretacja wyników.

Z tego względu badania nanotwardości prowadzone są zazwyczaj w specjalistycznych laboratoriach materiałowych.

Znaczenie nanotwardości w nowoczesnej inżynierii materiałowej

Nanotwardość odgrywa coraz większą rolę w badaniach nowoczesnych materiałów funkcjonalnych. Wraz z rozwojem nanotechnologii rośnie zapotrzebowanie na metody pozwalające analizować właściwości materiałów w bardzo małej skali.

Metoda nanoindentacji umożliwia szczegółową analizę właściwości mechanicznych cienkich powłok, warstw powierzchniowych oraz materiałów o strukturze nanokrystalicznej. Dzięki temu stanowi ważne narzędzie w projektowaniu nowoczesnych materiałów stosowanych w przemyśle lotniczym, elektronicznym, energetycznym oraz biomedycznym.