変位制御型ナノインデンテーション 試験機の開発に関する研究 ナノインデンテーション試験機の分類 ナノインデンテーション（NI）試験機 荷重制御型 (エリオニクスENT-1100a) 変位制御型 以下ナノインデンテーションをNIと略記 荷重制御型NI試験機 Displacement sensor Roberval mechanism Balance Magnetic coil Permanent magnet F r Specimen Indenter XYZ stage Load controlled Nanoindentation tester P/mN 荷重制御型と変位制御型の比較 速度変化 0 h/nm Indenter 表面検出 ⊿h Specimen(Soft material) Indenter 荷重検出 Specimen(Soft material) ⊿h Load controlled 表面検出 Displacement controlled 軟質材料の測定 表面検出機構の違い ⇒ 表面（ゼロ点）検出 が困難 本研究の目的 荷重制御型NI試験機の問題点 変位制御型NI試験機の開発 開発した試験機による軟質材料の測定 開発した変位制御型NI試験機 RS-232C Acrylic case P C GP-IB Temperature controller Frame Measurement part PZT Heater Power supply Displacement sensor specimen Multimeter Vibration isolator • 荷重範囲：50mgf∼10gf • 温度コントロール：設定温度±0.1℃ Electronic micro balance ：Drive system ：Measurement system NI試験結果（Glass 1gf） 1.2 P= E * ha 2 2 tan α Sneddon’s solution 1 Applied Load, P/gf π 0.8 0.6 0.4 Unloading Loading 0.2 1st(Elastic-Plastic) 2nd(Elastic) 3rd(Elastic) 0 0 100 200 Penetration Depth, h/nm 妥当なP‐h曲線を得た 300 硬質材料(Glass)における両試験結果の比較 120 10 100 A p p lie d L o a d , P /m g f 12 A p p lie d L o a d , P /g f Displacement controlled 8 Load controlled 6 4 Displacement controlled 80 Load controlled 60 40 20 2 14[nm] 21[nm] 0 0 0 200 400 600 Penetration Depth, h/nm 800 1000 10gf ⊿h：21[nm] 最大変位の約2% ⊿hの影響なし P‐h曲線の外形が異なる 0 20 40 60 80 Penetration Depth, h/nm 100 100mgf ⊿h：14[nm] 最大変位の約13% ⊿hの影響あり 12 120 10 100 A pplied Load, P /m gf Applied Load, P/gf 軟質材料(Cu)における両試験結果の比較 Displacement controlled Load controlled 8 6 4 2 15[nm] 0 Displacement controlled Load controlled 80 60 40 21[nm] 20 0 0 500 1000 Penetration Depth, h/nm 1500 0 50 100 Penetration Depth, h/nm 150 10gf ⊿h：15[nm] 100mgf ⊿h：21[nm]] 最大変位の約0.8% ⊿hの影響なし 最大変位の約14% ⊿hの影響あり 補正長さ Indenter ⊿h ⊿ hT Specimen(Soft material) ⊿ hc＝⊿ h ＋⊿ hT ⊿ hc：補正長さ ⊿ h：測定誤差 ⊿ hT：トランケーション量 ⊿ hc Correction Length: ⊿ hc, nm さまざまな材料の補正長さ(荷重制御型) 25 Zuralumin 20 OFCu Cu： ⊿h 15 Aluminosilicate glass -0.4296 Single Si y = 23.794x Al 10 Glass： ⊿h Brass Mild Steel 5 Stainless Steel 0 0 5 10 15 Hardness: H, GPa ⊿hC [nm] ⊿h [nm] Glass 11 14 Cu 24 21 20 荷重制御型で 測定された⊿hc≒⊿h まとめ 変位制御型NI試験機を開発した ・試験機は風防で覆い温度コントロールした （設定温度±0.1℃） ・フレームには低熱膨張材料を使用した ・NI試験の結果、妥当なP‐h曲線を得た ・荷重制御型NI試験機で検出不可能な押込み量⊿hを 検出した。⊿hは軟質材料で大 Glass(100mgf):14[nm]、Cu(100mgf):21[nm] ・荷重制御型で測定された⊿hc≒⊿h 円錐圧子 弾性体 Pmax α A ha 120 Applied Load, P/mgf 100 Displacement controlled 80 Load controlled 60 40 12[nm] 20 0 0 20 40 60 Penetration Depth, h/nm 80 100
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