КЕЙС 1
Исследование механических свойств полимерных волокон с помощью нанотвердомера TESTURION
Описание проблемы
Заказчик обратился с задачей определения механических характеристик полимерных волокон диаметром 120 мкм. Основной вызов заключался в необходимости точного измерения твердости и модуля упругости материала с учетом особенностей геометрии образцов.
Цель исследования
Определить истинные значения твердости и модуля упругости полимерных волокон, минимизировав влияние поверхностной шероховатости и подложки.
Методология решения
Используемое оборудование
Нанотвердомер TESTURION в комплектации T3-SCAN
Подготовительный этап
Применено два способа закрепления образцов:
o Крепление на подложке с помощью цианоакрилатного клея (Рисунок 1)
Рисунок 1. 
Индентор модуля сканирующего зондового микроскопа TESTURION, подведенный к образцу волокна, приклеенного к подложке на цианоакрилатный клей
1.
2.
Создание композитных образцов с эпоксидной смолой (Рисунок 2)
Рисунок 2.
1. Композитные образцы (зеленые цилиндры) в держателе расположены под модулем TESTURION для отображения поверхности на экране компьютера.
2. Изображение с оптического микроскопа, демонстрирующее отпечаток на поверхности образца №2 с нагрузкой 100 мН
Этапы измерений
Предварительное сканирование
Предварительное сканирование поверхности образцов (с помощью модуля сканирующего зондового микроскопа – для образцов волокн без эпоксидной смолы) – Рисунок 3 (1)
Проведение серии индентирования
Проведение серии индентирования с различными нагрузками:
— с помощью модуля сканирующего зондового микроскопа (для образцов волокн без эпоксидной смолы) –
Рисунок 3 (2,3)
— с помощью модуля наноиндентирования (для композитных образцов) – Рисунок 2 (2)
Анализ полученных данных
Анализ полученных данных:
— путем деления нагрузки на площадь отсканированного отпечатка. Пример отпечатка см. на рисунке 4а),
— с применением метода Оливера-Фарра. Пример кривой нагрузки-разгружения см. на рисунке 4б)
Рисунок 3.
Рисунок 4.
Результаты исследования
Ключевые показатели
Твердость образцов:
- Образец, приклеенный к подложке: 0.27 ± 0.02 ГПа
- Образец композитный: 0.26 ± 0.03 ГПа
Модуль упругости:
- Образец, приклеенный к подложке: 6.71 ± 0.55 ГПа (точность 8%)
- Образец композитный: 6.66 ± 0.47 ГПа (точность 7%)
Важные наблюдения
- При малых нагрузках твердость варьировалась из-за поверхностной шероховатости
- Увеличение нагрузки до 100 мН позволило минимизировать влияние рельефа
- Второй метод пробоподготовки дал более точные результаты
Выводы и рекомендации
Достигнутые результаты
Твердость образцов:
- Определены достоверные механические характеристики материала
- Разработан оптимальный метод пробоподготовки
- Минимизировано влияние подложки и поверхностной шероховатости
Практическое значение
Полученные данные могут использоваться для:
- Контроля качества полимерных материалов
- Оптимизации производственных процессов
- Разработки новых композитных материалов
Рекомендации
- Использовать второй метод пробоподготовки для точных измерений
- Применять нагрузки от 10 мН для минимизации влияния шероховатости
- Проводить предварительное сканирование поверхности перед тестированием
КЕЙС 2
Успешное решение задачи по анализу ионно-плазменных покрытий с помощью нанотвердомера TESTURION
Рисунок 1. Образцы, закреплённые на пластиковых подставках
Исходная ситуация
Производственная компания столкнулась с необходимостью детального исследования физико-механических характеристик ионно-плазменных покрытий на деталях типа шток. Требовалось определить параметры твердости, модуля упругости и адгезионных свойств покрытий.
Поставленные задачи
- Измерение механических характеристик углерод-алмазоподобных (DLC) покрытий
- Анализ свойств покрытий из нитрида титана на различных сталях
- Оценка адгезии покрытий к подложке
- Определение оптимальных параметров испытаний
Методология решения
Используемое оборудование
Нанотвердомер TESTURION в комплектации T2
Методика проведения измерений
- Подготовка образцов с использованием специальных держателей;
- Проведение инструментального индентирования с нагрузками 0.2-2.5 Н (примеры кривых нагрузки-разгружения показаны на рисунке 2);
- Выполнение склерометрических испытаний с помощью модуля наноиндентирования TESTURION (примеры царапин показаны
на рисунках 3, 4); - Анализ полученных данных.
Рисунок 2.
Рисунок 2. Зависимость нагрузки от глубины для покрытия образца с покрытием DLC (1) и для подложки (2)
1.
2.
Рисунок 3.
Изображение поверхности образца с покрытием DLC после нанесения царапин (нагрузка 3,2 Н, направление царапания – справа налево):
(1) область ближе к началу царапины, (2) область ближе к концу царапины
1.
2.
Рисунок 4.
Изображение поверхности образца с покрытием из нитрида титана после нанесения царапин (нагрузка 3,2 Н, направление царапания – справа налево),
(1) область начала царапины,
(2) область ближе к концу царапины
Результаты измерений
Ключевые показатели
Ключевые показатели DLC-покрытия:
- Твердость: 58 ± 5 ГПа
- Модуль упругости: 520 ± 70 ГПа
Характеристики покрытия TiN:
- Твердость: 26.5 ± 2.2 ГПа
- Модуль упругости: 392 ± 21 ГПа
Важные наблюдения
- DLC-покрытие демонстрирует высокую твердость, но умеренную адгезию
- Покрытие TiN показывает отличную адгезию к подложке
- Подложки из различных сталей имеют сопоставимые механические свойства
Выводы и рекомендации
Рекомендации по применению
- Для DLC-покрытий оптимальны нагрузки до 2.5 Н
- TiN-покрытия устойчивы к нагрузкам до 3.2 Н
- Необходима предварительная оценка шероховатости поверхности
Достигнутый эффект
Результаты внедрения:
- Получены достоверные данные о свойствах покрытий
- Определены оптимальные режимы эксплуатации
- Сформированы рекомендации по технологическому процессу
- Обеспечен контроль качества покрытий
Экономический эффект:
- Сокращение затрат на отбраковку
- Повышение надежности конечной продукции
- Оптимизация производственных процессов
Заключение
Использование нанотвердомера TESTURION позволило:
- Провести комплексный анализ механических свойств покрытий
- Оценить адгезионные характеристики
- Определить оптимальные параметры эксплуатации
- Обеспечить контроль качества производственного процесса
КЕЙС 3
Комплексное исследование механических свойств металлов на нанотвердомере TESTURION
Карта поверхности образца ВЭС
Исходная ситуация
Задача исследования заключалась в проведении демонстрационных измерений физико-механических характеристик двух типов материалов: алюминия и высокоэнтропийного сплава (ВЭС).
Поставленные задачи
- Определение твердости и модуля упругости материалов
- Оценка влияния глубины индентирования на результаты измерений
- Демонстрация возможностей оборудования
Методология решения
Используемое оборудование
Нанотвердомер TESTURION в комплектации T2
Параметры измерений
Помимо стандартного одноциклового вдавливания индентора было применено испытание нагружением с частичной разгрузкой (Partial unloading, PUL) для построения зависимости твёрдости и модуля упругости от глубины внедрения индентора в образец. Фотография исследованных образцов показана на рисунке 1 (2). Пример кривой многоциклового индентирования с частичной разгрузкой показан на рисунке 2.
- Диапазон нагрузок: (0,005–1,5) Н
- Время цикла: 10 секунд на каждый этап (нагружение, выдержка, разгрузка)
- Глубина внедрения: до 8 мкм
Рисунок 1.
Общий вид нанотвердомера TESTURION в работе (1) образцы, приклеенные к держателю прибора на фенилсалицилат (2)
Рисунок 2.
Внешний вид зависимости силы от перемещения в режиме индентирования с частичной разгрузкой (50 циклов)
Результаты измерений
Ключевые показатели
Ключевые показатели алюминия:
- Модуль упругости: 79 ± 5 ГПа
- Наблюдался рост разброса значений твердости при уменьшении глубины индентирования
- При максимальной глубине индентирования (8 мкм) значение твёрдости составило 1,2 ГПа
Характеристики ВЭС:
- Модуль упругости: 210 ± 10 ГПа
- Твердость варьировалась от 1,9 до 4,7 ГПа в зависимости от глубины (рисунок 4)
Рисунок 3.
Рисунок 4.
Рисунок 3.
Изображение поверхности образца с пЗависимость твердости образцов от глубины: алюминия (вверху), ВЭС (внизу)
Рисунок 4.
а) Твёрдость, б) модуль упругости образца ВЭС по индентированию в квазистатическом режиме нагружения, а также в режиме с частичной разгрузкой. Данные, полученные в режиме PUL, показаны красными точками, одноциклового индентирования – черными точками
Особенности исследования
Важные наблюдения:
- На алюминии при малых глубинах (менее 1 мкм) заметен значительный разброс данных из-за высокой шероховатости поверхности образца
- ВЭС показал стабильный рост твердости при уменьшении глубины внедрения
- Автоматизация процесса позволила провести серию измерений без участия оператора
Технологические преимущества
Возможности оборудования:
- Высокая степень автоматизации измерений
- Широкий диапазон измерительных методик
- Точное позиционирование образцов
- Возможность построения карт поверхности
( рисунок 5).
Рисунок 5.
Карта поверхности образца ВЭС
Выводы и рекомендации
Практические выводы
Рекомендации по применению:
- При работе с образцами высокой шероховатости выбирать глубину индентирования не менее 20-кратной величины шероховатости
- Использовать режим частичной разгрузки для более точных измерений
- При технологическом контроле применять автоматизированные серии измерений
Достигнутые результаты
Успешно решены задачи:
- Получены достоверные данные о механических свойствах материалов
- Продемонстрирована эффективность методики измерений
- Подтверждена точность оборудования в различных режимах работы
- Сформированы рекомендации по проведению подобных исследований
Экономический эффект:
- Сокращение времени на проведение измерений
- Повышение точности результатов
- Возможность массового контроля качества материалов
КЕЙС 4
Комплексное исследование механических свойств стали 30ХГСНА и сплава ВТ6 с помощью нанотвердомера TESTURION
Рисунок 1. Внешний вид образцов стали 30ХГСНА и сплава ВТ6, полученных для исследования
Исходная ситуация
Задача исследования заключалась в проведении всестороннего анализа физико-механических характеристик двух типов материалов: стали 30ХГСНА и титанового сплава ВТ6 (см. рисунок 1).
Поставленные задачи
- Определение твердости и модуля упругости материалов
- Оценка влияния морфологии поверхности на механические свойства
- Построение карт распределения характеристик по поверхности
- Исследование износостойкости материалов
Методология решения
Используемое оборудование
Нанотвердомер TESTURION в комплектации T3-SCAN
Методика проведения измерений
- Сканирующая зондовая микроскопия
Пример полученных изображений поверхности образца стали 30ХГСНА показан на рисунке 2.
Рисунок 2.
Рисунок 2. Зависимость нагрузки от глубины для покрытия образца с покрытием DLC (1) и для подложки (2)
- Склерометрия
Царапины наносились и сканировались при помощи модуля сканирующего зондового микроскопа нанотвердомера TESTURION. Измерения проводились после того, как отполированные образцы были протравлены. Индентор царапал в вертикальном и горизонтальном направлении, что соответствует следующим ориентациям индентора типа Берковича и направлениям царапания
Сканирование полученных царапин проводилось в полуконтактном режиме тем же наконечником, которым проводилось царапание. На каждой из царапин были проведены поперечные сечения, по которым можно судить о качественном различии в твёрдости в разных областях поверхности. Для вертикальных царапин приведены вычисленные по измеренным ширинам значения твёрдости. Пример царапины с профилями сечений показан на рисунке 3.
Рисунок 3.
Результаты склерометрии (образец ВТ6): вверху показано полученное с помощью модуля сканирующего зондового микроскопа TESTURION изображение нанесенной им же царапины, ниже – профили поперечного сечения данной царапины
- Томография механических свойств
Испытания методом наноиндентирования производились с нагрузкой 4мН, заданный шаг между уколами – 5 мкм (полный номинальный размер поля, покрытого уколами: 100×100 мкм). Томограмма твердости, наложенная на оптическое изображение поверхности образца сплава ВТ6 показана на рисунке 3.
Результаты измерений
Параметры поверхности:
- Сталь 30ХГСНА: шероховатость Sa = 86 нм, максимальная высота профиля Sz = 2370 нм
- Сплав ВТ6: шероховатость Sa = 0.11 мкм, максимальная высота профиля Sz = 2.55 мкм
Механические характеристики:
- Сталь 30ХГСНА: твердость после полировки ~1.4-1.9 ГПа, глубина индентов ~100 нм
- ВТ6: твердость после полировки ~2.98-3.72 ГПа, глубина индентов ~75 нм
Механические характеристики:
Значения твёрдости сплава ВТ6, вычисленные по ширинам царапин:
- H1=3.72 ГПа
- H2=3.51 ГПа
- H3=3.29 ГПа
- H4=2.22 ГПа
- H5=2.06 ГПа
- H6=2.36 Гпа
Значения твёрдости стали 30ХГСНА, вычисленные по ширинам царапин:
- H1=1.39 ГПа
- H2=1.68 ГПа
- H3=1.78 ГПа
- H4=1.88 ГПа
- H5=1.33 ГПа
- H6=1.59 ГПа
Рисунок 3.
Карта распределения твердости, наложенная на изображение, полученное с помощью оптического микроскопа (образец: ВТ6)
Особенности исследования
Важные наблюдения:
- Разброс шероховатости после полировки укладывается в единицы нанометров
- Наблюдается анизотропия механических свойств в разных областях поверхности
- Глубина внедрения индентора коррелирует с твердостью материала
Технологические преимущества
Возможности оборудования:
- Модуль сканирующего зондового микроскопа TESTURIUON обеспечивает как сканирование, так и деформацию поверхности (например, путем нанесения царапин)
- Высокая точность позиционирования (до 10 нм)
- Автоматизация измерительных процедур
- Построение 3D-карт распределения свойств
Практические выводы
Рекомендации по применению:
- Для построения томограммы твёрдости предоставленного для исследования образца сплава ВТ-6 оказались оптимальными нагрузки до 4 мН с шагом индентирования 5 мкм
- Поперечные сечения царапин на исследованных образцах позволили количественно оценить различие в твёрдости разных областей поверхности образцов
Достигнутые результаты
Успешно решены задачи:
- Получены достоверные данные о механических свойствах материалов
- Продемонстрирована эффективность комплексного подхода
- Подтверждена работоспособность оборудования в различных режимах
- Сформированы рекомендации по технологическому применению позиционирования (до 10 нм)
Экономический эффект:
- Сокращение времени на проведение исследований
- Повышение точности результатов
- Возможность оптимизации производственных процессов
КЕЙС 5
Исследование механических свойств гранатового песка с помощью нанотвердомера TESTURION
Исходная ситуация
Задача исследования заключалась в комплексной оценке качества гранатового песка как абразивного материала. Необходимо было определить его пригодность для использования в производственных процессах. Критерием применимости является высокая твердость: по шкале Мооса не ниже 7.
Цели исследования
- Определение микротвердости различных фракций песка
- Измерение модуля упругости
- Оценка однородности свойств
- Анализ влияния цвета частиц на характеристики
- Определение оптимальных параметров применения
Методология решения
Исследуемый материал
Гранатовый песок с частицами размером 150-300 мкм имел в своем составе различные цветовые фракции (см. рисунок 1):
— Красно-коричневые частицы
— Черные частицы
— Зеленые частицы
Используемое оборудование
Нанотвердомер TESTURION в комплектации T2
Пробоподготовка
Частицы песка смешивались с порошком самоотверждаемой пластмассы «Протакрил-М» и растворителем. Смесь заливалась в формы и оставлялась на сутки для застывания. В полученных образцах зерна граната распределялись по объему случайным образом. После шлифовки и полировки часть частиц образцов оказывалась на поверхности и имела плоские полированные поверхности
(см. рисунок 2).
Рисунок 2.
Изображение зерен граната после пробоподготовки
Параметры измерений:
- Тип индентора: пирамида Берковича
- Максимальная нагрузка: 200 мН
- Время цикла: 10 секунд
- Глубина индентирования: до 1 мкм
Результаты измерений
Результаты
измерений
Механические характеристики по фракциям:
- Красно-коричневые частицы: 12,9–13,2 ГПа
- Черные частицы: 7,8–8,1 ГПа
- Зеленые частицы: 10,1 ГПа
Модуль упругости:
- Образцы красно-коричневой фракции: 122 ± 10 ГПа
- Образцы смешанного состава (черные и зеленые частицы):
109 ± 36 ГПа
Особенности исследования
Важные наблюдения:
- Красно-коричневые частицы гранатового порошка показали наивысшую твердость
- Черные и зеленые частицы имеют более низкие показатели
- Разброс значений связан с неоднородностью состава
- Автоматизация измерений обеспечила высокую точность
Технологические преимущества
Возможности оборудования:
- Высокая точность измерений
- Широкий диапазон нагрузок
- Автоматизация процесса
- Визуальный контроль
Выводы и рекомендации
Практические выводы
Рекомендации по применению:
- Для контроля качества использовать нагрузку 200 мН
- Учитывать неоднородность свойств разных фракций
- Проводить предварительную сортировку по цвету
- Контролировать размер частиц
Достигнутые результаты
Успешно решены задачи:
- Определены основные механические характеристики
- Выявлены различия между фракциями
- Установлена зависимость свойств от цвета частиц
- Сформированы рекомендации по контролю качества
Заключение
Исследование подтвердило эффективность применения нанотвердомера TESTURION
для комплексной оценки качества гранатового песка и позволило разработать методику его оперативного контроля
НАУЧСПЕЦПРИБОР
ооо «научспецприбор»
Отечественное аналитическое приборостроение
2026 НАУЧСПЕЦПРИБОР
Все права защищены