ВВЕДЕНИЕ
Метод инструментального индентирования развивается с середины двадцатого века как естественное развитие метода микроиндентирования. При этом ключевым моментом нового подхода стал отказ от визуального контроля размера оставленного отпечатка и извлечение всей необходимой информации о твердости по измеренной зависимости глубины погружения индентора от усилия прижима. При этом благодаря возможности контролирования как силы, так и глубины погружения индентора на этапах нагружения и разгрузки появилась возможность измерения не только твердости, но и модуля упругости Юнга тестируемого материала. Сегодня данный метод стал общепризнанным и лег в основу ряда международных стандартов.

В данном методе отсутствует свойственное оптической микроскопии ограничение на минимальный размер отпечатка, используемого для измерения твердости материала. Поскольку для определения механических свойств исполь­зуются только данные о глубине и силе, то фактором ограничения на глубину индентирования и силу прижима стали шумы измерительной системы наноиндентора и степень остроты используемого алмазного острия. Инденторы для инструментального индентирования обычно изготавливают в форме трехгранной пирамиды типа Берковича, что обеспечивает самоподобие индентора в максимально возможном диапазоне размеров отпечатков.

ПРИНЦИПЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ НАНОИНДЕНТОРОВ
Достижимые глубины индентирования сегодня опустились ниже 10 нм, а размеры отпечатков стали меньше 100 нм, при стабильном радиусе кривизны острия вершины пирамиды индентора менее 30 нм. Разрешение измерительных систем по перемещению и силе составляет доли нм и мкН, максимальные глубины погружения и силы прижима индентора сотни мкм и единицы Н. При этом, как правило, для реализации указанного динамического диапазона по глубинам и силам используется набор индентирующих модулей.

При работе в нанодиапазоне с усилиями прижима менее 50 мН и глубинами индентирования до 10 мкм чаше всего используются электростатические актюаторы, совмещенные конструктивно с емкостным датчиком перемещения. Наиболее популярной в микродиапазоне является схема с электромагнитным актюатором и дифференциальным конденсатором в качестве датчика перемещения. Есть варианты исполнения индентирующего модуля с использованием пьезокерамического актюатора и емкостной схемы измерения перемещения.

Основным аргументом в пользу той или иной конструкции индентирующего модуля яв­ляются минимальная величина температурного дрейфа системы измерения глубины индентирования и максимальный диапазон используемых нагрузок. Чисто емкостные и пьезокерамические системы при этом имеют преимущество в плане величины термодрейфа, вызванного работой актюатора. Электромагнитный актюатор, в силу принципа действия, не может не греться при создании усилия прижима индентора. При этом тепловая мощность, выделяемая в подвижной катушке актюатора, пропорциональна квадрату величины электрического тока, а усилие, развиваемое актюатором – первой степени тока. Следовательно, нагрев, а значит и температурное расширение, наиболее сильно проявляются при работе с максимальными уси­лиями индентирования. Использование емкостных датчиков в виде дифференциального конденсатора с подвижной средней пластиной де факто стало стандартом для инструментального индентирования. Такие датчики не являются источниками тепла при своей работе, создают минимальное силовое воздействие на подвижную систему, обеспечивают низкий пороговый уровень регистрируемого сигнала и достаточно высокую линейность по глубине внедрения.

Приборы для инструментального индентирования часто называют наноинденторами и при их использовании соблюдают примерно те же меры предосторожности, как при работе с атомно-силовыми и туннельными скани­рующими микроскопами. Наноинденторы устанавливают на виброизолирующие платформы и помещают внутрь термоизолирующих боксов. Как правило, именно уровень сейсмического шума и температурные флуктуации в помещении являются главными факторами, ограничивающими точность производимых измерений и минимальный уровень усилий при индентировании.

Для уменьшения влияния вибрационных помех стараются минимизировать массу подвижных элементов прибора, связанных с алмазным индентором. Увеличение жесткости подвеса подвижных элементов, повышая резонансную частоту прибора и как бы уменьшая влияние сейсмошума, не приводит к улучшению метрологических характеристик наноиндентора, поскольку на фоне возросшей жесткости системы подвеса индентора, жесткость области контакта, характеризующая твердость и модуль Юнга тестируемого материа­ла, становится менее заметной, особенно при малых глубинах индентирования. В результате падает точность измерения силы контактного взаимодействия индентора с тестируемым материалом и качество кривой "нагрузка – глубина погружения".

Приводимые в описании приборов рабочие характеристики по части минимальных нагрузок и глубин индентирования, как правило, соответствуют условиям минимального природного сейсмошума, отсутствия промышленных сейсмических помех и использования хорошей системы виброизоляции. Реальный уровень шума по каналам силы и перемещения зависит от конкретных условий эксплуа­тации прибора, и производитель его маркирует, как lab dependent. Цифровое разрешение по каналу силы и смещения при этом, как правило, на порядок меньше декларируемого lab dependent уровня шума.

КОНСТРУКТИВНЫЕ И СХЕМОТЕХНИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ "НАНОСКАН-4D"
Система механического нагружения
Детальный анализ конструкции и принципов работы индентирующего модуля и системы радиоэлектронного обеспечения проведем на примере нанотвердомера модели NanoScan-4D. Данный прибор внесен в Государственный реестр средств измерения в качестве нанотвердомера под № 65496-16 и позволяет осуществлять полный спектр методик, предусмотренных стандартами.

При разработке NanoScan-4D был учтен опыт работы с зарубежными и отечественными приборами для инструментального индентирования и проведено исследование их достоинств и недостатков. В результате анализа полученных результатов была выбрана схема с парным электромагнитным актюатором и емкостным датчиком перемещения.

Использование электромагнитного актюатора в виде катушки, расположенной в цилиндрическом зазоре с аксиальным магнитным полем, обеспечило возможность индентирования с нагрузками более 2 Н. Такого рода актюаторы активно используются в акустических системах, а технология их производства хорошо отработана. Они эффективно преобразуют ток в силу, работоспособны в широком интервале температур, стабильны и обладают линейным откликом во всем диапазоне рабочих перемещений и усилий.

Подпишитесь на журнал, чтобы прочитать полную версию статьи.