JP7046383B2 - Mechanical property test method and measuring device - Google Patents

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    • G01N3/42Investigating hardness or rebound hardness by performing impressions under a steady load by indentors, e.g. sphere, pyramid

Description

本発明は、力学特性試験方法及び計測装置に関し、より具体的には、インデンテーション試験により、試験体の力学特性を評価する試験方法及び計測装置に関する。 The present invention relates to a mechanical property test method and a measuring device, and more specifically, to a test method and a measuring device for evaluating the mechanical property of a test piece by an indentation test.

インデンテーション試験は、圧子と呼ばれる治具を各種材料の試験体の表面に押し付けることにより形成される窪みの状況から、材料の硬さや弾性率などの各種力学特性を評価する試験技術である。 The indentation test is a test technique for evaluating various mechanical properties such as hardness and elastic modulus of a material from the state of a dent formed by pressing a jig called an indenter against the surface of a test piece of various materials.

圧子を試験体の表面に押し付ける際、試験する材料の弾性変形の範囲内であれば、その変形挙動から弾性率が評価できる。さらに、圧子直下に発生する応力が弾性限界を超えると、試験体に塑性変形が誘起され、除荷後に圧痕として表面から観察される。この圧痕の大きさと最大負荷荷重値から試験体の硬さが評価できる。弾性率や硬さは、圧子と試験体表面とを接触させた際の力学刺激応答の指標の一つである。 When the indenter is pressed against the surface of the test piece, the elastic modulus can be evaluated from the deformation behavior as long as it is within the range of elastic deformation of the material to be tested. Further, when the stress generated immediately under the indenter exceeds the elastic limit, plastic deformation is induced in the test piece, and it is observed from the surface as an indentation after unloading. The hardness of the test piece can be evaluated from the size of the indentation and the maximum load value. The elastic modulus and hardness are one of the indexes of the mechanical stimulus response when the indenter is brought into contact with the surface of the test piece.

一般的な金属類では、塑性が全変形挙動を支配するため、圧痕の大きさは、最大負荷荷重時と除荷後とでは同じ寸法である。一方、弾塑性体や粘弾性体のように塑性以外の成分が変形挙動において無視できない材料では、除荷中に弾性回復するために除荷後の圧痕の大きさは、最大負荷荷重時よりも減少することが知られている。 In general metals, the size of the indentation is the same at the time of maximum load and after unloading because plasticity controls the total deformation behavior. On the other hand, in materials such as elasto-plastic bodies and viscoelastic bodies, in which components other than plastic cannot be ignored in the deformation behavior, the size of the indentation after unloading is larger than that at the time of maximum load because the elasticity recovers during unloading. It is known to decrease.

したがって、未知試料の力学特性を厳密に解析するには、圧子と試験体表面とが接触している状況下で該試料はどの様な窪みを形成しているのかを知ること、すなわち、その場で力学刺激応答特性を計測することが必要である。 Therefore, in order to strictly analyze the mechanical properties of an unknown sample, it is necessary to know what kind of depression the sample forms under the condition that the indenter and the surface of the specimen are in contact with each other, that is, in-situ. It is necessary to measure the mechanical stimulus response characteristics.

また、試験体に圧子で負荷した際に生じる窪みの種類には、その周辺部に見られる表面変形の形態の違いに注目して「沈み込み型」と「盛り上がり型」があることが知られており、試験体の表面に荷重が負荷されて形成される窪みを定量表現するには、元の表面からの深さだけでなく、接触面積も計測する必要がある。 In addition, it is known that there are two types of dents that occur when a test piece is loaded with an indenter, "subduction type" and "swelling type", paying attention to the difference in the form of surface deformation seen in the peripheral part. Therefore, in order to quantitatively express the dent formed by applying a load to the surface of the test piece, it is necessary to measure not only the depth from the original surface but also the contact area.

試験体の表面に荷重が負荷されている状態の力学刺激応答として窪みの深さを計測できる計装化ナノインデンテーション試験法がある。この試験法では、全ての試料の窪みは、完全弾性体の「沈み込み型」の接触深さを有する窪みが形成されているとする仮定が置かれている。現在の計装化ナノインデンテーション技術では圧入深さと負荷荷重との関係から接触面積を推算する汎用近似法を用いているが、「盛り上がり型」の接触面積を知ることができないという最大の弱点を抱えている。窪みの深さを計測する計装化ナノインデンテーション法は、「盛り上がり型」の接触面積を演算することができないため、「盛り上がり型」の表面変形を示す弾塑性体を解析することに問題がある。 There is an instrumented nanoindentation test method that can measure the depth of the depression as a mechanical stimulus response when a load is applied to the surface of the test piece. In this test method, it is assumed that the depressions of all the samples are formed with depressions having a "subduction type" contact depth of a fully elastic body. The current instrumentation nanoindentation technology uses a general-purpose approximation method that estimates the contact area from the relationship between the press-fitting depth and the load, but the biggest weakness is that it is not possible to know the "bulging type" contact area. I'm holding it. The instrumented nanoindentation method, which measures the depth of the depression, cannot calculate the contact area of the "bulging type", so there is a problem in analyzing the elasto-plastic body showing the surface deformation of the "bulging type". be.

試験体の表面に荷重が負荷されている状態で力学刺激応答として窪みの投影接触面積を光学的に計測できる顕微インデンテーション試験法がある。この試験法は、圧子と試験体表面とを接触させた際の力学刺激応答特性をその場で直接的に評価する手法である。顕微インデンテーション試験法は、窪みが「沈み込み型」であるか「盛り上がり型」であるかに関係無く、両方の表面変形様式に対して投影接触面積が計測できる(例えば、特許文献1、特許文献2、特許文献3、特許文献4、特許文献5、非特許文献1、非特許文献2、非特許文献3、非特許文献4、非特許文献5、および、非特許文献6)。 There is a microindentation test method that can optically measure the projected contact area of a depression as a mechanical stimulus response when a load is applied to the surface of the test piece. This test method is a method for directly evaluating the mechanical stimulus response characteristics when the indenter is brought into contact with the surface of the test piece on the spot. The microindentation test method can measure the projected contact area for both surface deformation modes regardless of whether the depression is "submerged" or "raised" (for example, Patent Document 1, Patent). Document 2, Patent Document 3, Patent Document 4, Patent Document 5, Non-Patent Document 1, Non-Patent Document 2, Non-Patent Document 3, Non-Patent Document 4, Non-Patent Document 5, and Non-Patent Document 6).

特開2005-195357号公報(特許第4317743号公報)Japanese Unexamined Patent Publication No. 2005-195357 (Patent No. 4317743) 実用新案登録第3182252号公報Utility Model Registration No. 3182252 特開2015-175666号公報JP-A-2015-175666 特願2016-016555号公報Japanese Patent Application No. 2016-016555 特開2017-146294号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2017-146294

T. Miyajima and M. Sakai、Optical indentation microscopy ‐ a new family of instrumented indentation testing, Philosophical Magazine、86巻、5729頁~5737頁(2006)T. Miyajima and M. Sakai, Optical indentation microscopy-a new family of instrumented indentation testing, Philosophical Magazine, Vol. 86, pp. 5729-5737 (2006) 羽切教雄、逆井基次、宮島達也「顕微インデンターの開発と圧子力学への応用」、材料、56巻、6号、510頁~515頁(2007)Norio Hagiri, Motoji Sakai, Tatsuya Miyajima "Development of Microscopic Indenter and Application to Indenter Mechanics", Materials, Vol. 56, No. 6, pp. 510-515 (2007) 逆井基次「粘弾性圧子力学の構築とミクロ領域におけるレオロジー計測」、日本レオロジー学会誌、39巻、1‐2号、7頁~15頁(2011)Mototsugu Sakai "Construction of Viscoelastic Indenter Mechanics and Rheology Measurement in the Micro Region", Journal of the Society of Rheology, Japan, Vol. 39, No. 1-2, pp. 7-15 (2011) N. Hakiri、A. Matsuda、and M. Sakai、Instrumented indentation microscope applied to the elastoplastic indentation contact mechanics of coating/substrate composites、Journal of Materials Research、24巻、6号、1950頁~1959頁(2009)N. Hakiri, A. Matsuda, and M. Sakai, Instrumented indentation microscope applied to the elastoplastic indentation contact mechanics of coating / substrate composites, Journal of Materials Research, Vol. 24, No. 6, pp. 1950-1959 (2009) 峯田才覚、三浦誠司、岡和彦、宮島達也、「In-situ Brinell インデンテーションによるMg-Y単結晶の塑性変形挙動観察」、日本金属学会誌、81巻、4号、196頁~205頁(2017)Tadashi Mineda, Seiji Miura, Kazuhiko Oka, Tatsuya Miyajima, "Observation of Plastic Deformation Behavior of Mg-Y Single Crystal by In-situ Brinell Indentation", Journal of the Japan Institute of Metals, Vol. 81, No. 4, pp. 196-205 (2017) ) T. Mineta、S. Miura、K. Oka、and T. Miyajima、Plastic deformation behavior of Mg-Y alloy single crystals observed using in situ Brinell indentation、Materials Transactions、59巻、4号、206頁~211頁(2018)T. Mineta, S. Miura, K. Oka, and T. Miyajima, Plastic deformation behavior of Mg-Y alloy single crystals observed using in situ Brinell indentation, Materials Transactions, Vol. 59, No. 4, pp. 206-211 (2018) )

しかしながら、レンズを用いて可視光をスポットに絞り像観察する方式の光学顕微鏡の水平方向の分解能は、光が持つ波動性に起因する回折限界があるため、従来の顕微インデンテーション試験法では、原理上、可視光の波長の半分以下であるサブミクロン領域までに限定され、該光学顕微鏡を用いてナノ領域での力学刺激応答特性を評価することが難しい場合があった。 However, the horizontal resolution of an optical microscope in which visible light is focused on a spot using a lens and the image is observed has a diffraction limit due to the wave motion of light. In addition, it is limited to the submicron region, which is less than half the wavelength of visible light, and it may be difficult to evaluate the mechanical stimulus response characteristics in the nano region using the optical microscope.

本発明は、このような従来技術の実情を鑑みてなされたもので、既知の形状と力学特性を持つ圧子と未知試料の試験体表面とを接触させた際の力学刺激応答特性を、該試料が有する力学特性を反映して圧子が変形する様子を、可視光をレンズで絞る像観察方式の光学顕微鏡を用いることなく、ナノ領域で評価する技術を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the actual situation of such a prior art, and the mechanical stimulus response characteristic when an indenter having a known shape and mechanical characteristics is brought into contact with the surface of a test piece of an unknown sample is the sample. It is an object of the present invention to provide a technique for evaluating the deformation of an indenter reflecting the mechanical properties of the indenter in the nano region without using an image observation type optical microscope that focuses visible light with a lens.

上記課題を解決するために、本発明によれば、下記の技術的手段および技術的手法が提供される。 In order to solve the above problems, the present invention provides the following technical means and methods.

[1]測定試料の試験体の表面に圧子を押し込んで接触させた状態で、圧子の試験体側と反対の面の形状変化を計測することによって、測定試料の力学特性を評価する力学特性試験方法。
[2]前記圧子と、前記試験体と、表面観察プローブを備えた走査型プローブ顕微鏡と、を有する顕微インデンテーション試験機を用いて、
前記走査型プローブ顕微鏡により、前記圧子の先端を、前記試験体の表面に前記圧子を押し込んで接触させた状態で、前記圧子の前記試験体側と反対の面の形状変化を計測する、[1]の力学特性試験方法。
[3]前記顕微インデンテーション試験機と、計測制御装置と、情報処理装置とを有する力学特性計測装置を用いて、
前記計測制御装置により、
前記試験体の表面と前記圧子の先端との位置関係を計測し、
前記試験体と前記圧子との押し込みが所定の圧入深さとなるように位置制御し、
前記圧子の背面を観察する前記走査型プローブ顕微鏡を制御し、
前記情報処理装置により、
前記顕微インデンテーション試験機から前記表面観察プローブの背面の表面情報を受け取り、表面変形量もしくは表面変位分布として解析し、
解析された表面変形量もしくは表面変位分布を記憶装置に記憶し、
前記記憶装置に記憶された既知の力学特性を有する前記圧子を用いた前記顕微インデンテーション試験機による顕微インデンテーション試験の結果から、未知試料の試験体の力学特性を評価することを特徴とする[2]の力学特性試験方法。

[4]前記圧子の前記試験体表面との接触中心点を基準とし、前記圧子の前記試験体側と反対の面に対して接触中心点から垂直に降ろした点の変位もしくはその点からの距離を関数とする変位分布を計測する[1]から[3]のいずれかの力学特性試験方法。
[1] A mechanical property test method for evaluating the mechanical properties of a measurement sample by measuring the shape change of the surface of the indenter opposite to the test piece side in a state where the indenter is pushed into contact with the surface of the test piece of the measurement sample. ..
[2] Using a microindentation tester having the indenter, the test piece, and a scanning probe microscope provided with a surface observation probe,
With the scanning probe microscope, the shape change of the surface of the indenter opposite to the test piece side is measured in a state where the tip of the indenter is brought into contact with the surface of the test piece by pushing the indenter. [1] Mechanical property test method.
[3] Using the mechanical characteristic measuring device having the microindentation tester, the measurement control device, and the information processing device,
By the measurement control device
The positional relationship between the surface of the test piece and the tip of the indenter was measured.
The position is controlled so that the indentation between the test piece and the indenter has a predetermined press-fitting depth.
Control the scanning probe microscope to observe the back surface of the indenter,
With the information processing device
The surface information on the back surface of the surface observation probe is received from the microindentation tester and analyzed as the amount of surface deformation or the surface displacement distribution.
The analyzed surface deformation amount or surface displacement distribution is stored in the storage device, and
It is characterized in that the mechanical properties of a test piece of an unknown sample are evaluated from the results of a microindentation test by the microindentation tester using the indenter having known mechanical properties stored in the storage device []. 2] Mechanical property test method.

[4] With reference to the contact center point of the indenter with the surface of the test piece, the displacement of the point perpendicularly lowered from the contact center point with respect to the surface of the indenter opposite to the test piece side or the distance from the point. The mechanical property test method according to any one of [1] to [3], which measures the displacement distribution as a function.

[5]測定試料の試験体に押し込む圧子と、
圧子の測定試料側と反対の面の形状変化を計測する計測手段と、を備えた力学特性計測装置。
[6]顕微インデンテーション試験機を備え、この顕微インデンテーション試験機は、
前記圧子と、
前記試験体と、
前記圧子の先端を、前記試験体の表面に前記圧子を押し込んで接触させた状態で、前記圧子の前記試験体側と反対の面の形状変化を計測する、表面観察プローブを備えた走査型プローブ顕微鏡を有し、
前記計測手段は、前記走査型プローブ顕微鏡を含む、[5]の力学特性計測装置。
[7]前記顕微インデンテーション試験機と、計測制御装置と、情報処理装置とを備え、
前記計測制御装置は、
前記試験体の表面と前記圧子の先端との位置関係を計測する変位計測装置と、
前記試験体と前記圧子との接触が所定の圧入深さとなるように位置制御する精密位置決め装置と、
前記圧子の背面を観察する前記走査型プローブ顕微鏡を制御する表面解析装置を有し、
前記情報処理装置は、
前記顕微インデンテーション試験機から前記表面観察プローブの背面の表面情報を受け取り、三次元の表面変形量もしくは表面変位分布として解析する表面解析部と、
前記表面解析部で解析された表面変形量もしくは表面変位分布を記憶する記憶装置を有し、
前記記憶装置に記憶された既知の力学特性を有する前記圧子を用いた、前記顕微インデンテーション試験機による顕微インデンテーション試験の結果から、未知試料の試験体の力学特性を評価することを特徴とする[6]の力学特性計測装置。

[8]前記圧子と、前記表面観察プローブの探針とが縦方向に配列した縦型二重構造を有する請求項[6]又は[7]の力学特性計測装置。[9]前記表面観察プローブは、片持ち梁方式により前記走査型プローブ顕微鏡のXYZ走査機構に、前記XYZ走査機構と連動できるように取り付けられている、[6]から[8]のいずれかの力学特性計測装置。

[10]前記走査型プローブ顕微鏡は、前記圧子の前記試験体表面との接触中心点を基準とし、圧子の試験体側と反対の面に対して接触中心点から垂直に降ろした点の変異もしくはその点からの距離を関数とする変位分布を計測するように構成されている、[6]から[9]のいずれかの力学特性計測装置。
[5] An indenter to be pushed into the test piece of the measurement sample,
Measurement of indenter A mechanical property measuring device equipped with a measuring means for measuring a shape change of a surface opposite to the sample side.
[6] A micro-indentation tester is provided, and this micro-indentation tester is equipped with a micro-indentation tester.
With the indenter
With the test piece
A scanning probe microscope equipped with a surface observation probe that measures the shape change of the surface of the indenter opposite to the test piece side in a state where the tip of the indenter is brought into contact with the surface of the test piece by pushing the indenter. Have,
The measuring means is the mechanical property measuring apparatus according to [5], which includes the scanning probe microscope.
[7] The microindentation tester, the measurement control device, and the information processing device are provided.
The measurement control device is
A displacement measuring device that measures the positional relationship between the surface of the test piece and the tip of the indenter,
A precision positioning device that controls the position so that the contact between the test piece and the indenter has a predetermined press-fitting depth.
It has a surface analysis device that controls the scanning probe microscope for observing the back surface of the indenter.
The information processing device is
A surface analysis unit that receives surface information on the back surface of the surface observation probe from the microindentation tester and analyzes it as a three-dimensional surface deformation amount or surface displacement distribution.
It has a storage device that stores the surface deformation amount or surface displacement distribution analyzed by the surface analysis unit.
It is characterized in that the mechanical properties of a test piece of an unknown sample are evaluated from the results of a microindentation test by the microindentation tester using the indenter having known mechanical properties stored in the storage device. [6] Mechanical characteristic measuring device.

[8] The mechanical property measuring apparatus according to claim [6] or [7], which has a vertical double structure in which the indenter and the probe of the surface observation probe are vertically arranged. [9] Any one of [6] to [8], wherein the surface observation probe is attached to the XYZ scanning mechanism of the scanning probe microscope by a cantilever method so as to be interlocked with the XYZ scanning mechanism. Mechanical characteristic measuring device.

[10] The scanning probe microscope is a variation of a point perpendicular to the contact center point of the indenter with respect to the surface opposite to the test piece side of the indenter, or a variation thereof, with reference to the contact center point of the indenter with the surface of the test piece. A mechanical property measuring device according to any one of [6] to [9], which is configured to measure a displacement distribution having a distance from a point as a function.

本発明によれば、既知の形状と力学特性を持つ圧子と未知試料の試験体表面とを接触させた際の力学刺激応答特性を、ナノ領域で評価する技術が提供される。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, there is provided a technique for evaluating the mechanical stimulus response characteristics in the nano region when an indenter having a known shape and mechanical characteristics is brought into contact with the surface of a test piece of an unknown sample.

本発明の一実施形態に係る顕微インデンテーション試験機において、圧子先端と試験体表面とが接触する状況において圧子背面の変位変化を計測するプローブの配置の一例を説明する図である。It is a figure explaining an example of the arrangement of the probe which measures the displacement change of the back surface of an indenter in the situation where the tip of an indenter is in contact with the surface of a test body in the microindentation tester which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係るインデンテーション試験機を含む、インデンテーション・システムの基本構成の一例を説明するブロック図である。It is a block diagram explaining an example of the basic structure of the indene system including the indene tester which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係るインデンテーション試験機の構成の一例を説明する図である。It is a figure explaining an example of the structure of the indene tester which concerns on one Embodiment of this invention. 球面圧子を用いた実施例1について、試験体への押し込み量と球面圧子背面の変位変化の関係を、有限要素解析した結果の一例を説明する図である。It is a figure explaining an example of the result of finite element analysis about the relationship between the amount of pushing into a test body and the displacement change of the back surface of a spherical indenter about Example 1 using a spherical indenter. 球面圧子を用いた実施例1について、試験体の弾性率と試験体への押し込み量が圧子背面の変位変化に及ぼす効果を、有限要素解析した結果の一例を説明する図である。It is a figure explaining an example of the result of the finite element analysis about the effect which the elastic modulus of a test piece and the amount of pushing into a test piece have on the displacement change of the back surface of an indenter about Example 1 using a spherical indenter. 球面圧子を用いた実施例1について、試験体と球面圧子との弾性率比と圧子背面の変位変化の関係を、有限要素解析した結果の一例を説明する図である。It is a figure explaining an example of the result of finite element analysis about the relationship between the elastic modulus ratio of a test piece and a spherical indenter, and the displacement change of the back surface of an indenter about Example 1 using a spherical indenter. 球面圧子を用いた実施例1について、所定の試験体への押し込み量において、計測された球面圧子背面の変位変化の最大値から、試験体と圧子との弾性率比を求め、その値と既知である圧子の弾性率との積から、未知試料の弾性率を解析する一例を説明する図である。For Example 1 using a spherical indenter, the elastic modulus ratio between the test piece and the indenter was obtained from the maximum value of the measured displacement change of the back surface of the spherical indenter in the amount of pushing into a predetermined test piece, and the value is known. It is a figure explaining an example which analyzes the elastic modulus of an unknown sample from the product with the elastic modulus of an indenter. 円錐圧子を用いた実施例2について、試験体への押し込み量と圧子背面の変位変化の関係を、有限要素解析した結果の一例を説明する図である。It is a figure explaining an example of the result of finite element analysis about the relationship between the amount of pushing into a test body and the displacement change of the back surface of an indenter about Example 2 using a conical indenter. 円錐圧子を用いた実施例2について、試験体と圧子との弾性率比と圧子背面の変位変化の関係を、有限要素解析した結果の一例を説明する図である。It is a figure explaining an example of the result of finite element analysis about the relationship between the elastic modulus ratio of a test body and an indenter, and the displacement change of the back surface of an indenter about Example 2 using a conical indenter. 円錐圧子を用いた実施例2について、試験体の弾性率と試験体への押し込み量が圧子背面の変位変化に及ぼす効果を、有限要素解析した結果の一例を説明する図である。It is a figure explaining an example of the result of the finite element analysis about the effect which the elastic modulus of a test piece and the amount of pushing into a test piece have on the displacement change of the back surface of an indenter about Example 2 using a conical indenter. 円錐圧子を用いた実施例2について、所定の試験体への押し込み量において、計測された球面圧子背面の変位変化の最大値から、試験体と圧子との弾性率比を求め、その値と既知である圧子の弾性率との積から、未知試料の弾性率を解析する一例を説明する図である。For Example 2 using a conical indenter, the elastic modulus ratio between the test piece and the indenter was obtained from the maximum value of the measured displacement change of the back surface of the spherical indenter in the amount of pushing into a predetermined test piece, and the value is known. It is a figure explaining an example which analyzes the elastic modulus of an unknown sample from the product with the elastic modulus of an indenter. 球面圧子を用いた実施例3について、球面圧子をポリウレタン製とし、試験体をポリウレタン及びアルミニウム合金とし、試験体への定荷重負荷方式の追加重量と球面圧子背面の変位変化の関係を、実験した結果の例を説明する図である。In Example 3 using a spherical indenter, the spherical indenter was made of polyurethane, the test piece was made of polyurethane and an aluminum alloy, and the relationship between the additional weight of the constant load load method on the test piece and the displacement change of the back surface of the spherical indenter was tested. It is a figure explaining the example of the result. 球面圧子を用いた実施例3について、球面圧子をポリウレタン製とし、試験体をポリウレタン及びアルミニウム合金とし、球面圧子の背面変位分布を、所定の負荷荷重によって決まる球面圧子の押し込み量で規格化した値で表示し、試験体への定荷重負荷方式の追加重量と谷の深さ(隆起)の負荷荷重依存性の関係を、実験した結果の例を説明する図である。In Example 3 using a spherical indenter, the spherical indenter is made of polyurethane, the test piece is made of polyurethane and an aluminum alloy, and the back displacement distribution of the spherical indenter is standardized by the pushing amount of the spherical indenter determined by a predetermined load. It is a figure explaining the example of the result of the experiment, which shows the relationship between the additional weight of the constant load method to the test piece, and the load-load dependence of the valley depth (raising). 球面圧子を用いた実施例3について、試験体への定荷重負荷において、所定の追加重量で計測された圧子背面変位の隆起変化量から、試験体と圧子との弾性率比を求め、その値と既知である圧子の弾性率との積から、未知試料の弾性率を解析する一例を説明する図である。For Example 3 using a spherical indenter, the elastic modulus ratio between the test piece and the indenter was obtained from the amount of change in the uplift of the indenter backside displacement measured with a predetermined additional weight under a constant load load on the test piece, and the value thereof. It is a figure explaining an example which analyzes the elastic modulus of an unknown sample from the product of the elastic modulus of a known indenter.

以下、本発明の実施の形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.

図1は、本発明の力学特性計測装置の一実施形態に係る顕微インデンテーション試験機の圧子部を説明する図である。本実施形態に係るインデンテーション試験装置(顕微インデンテーション試験機)の圧子部は、力学試験用圧子(以下、圧子とも称する)4と圧子の試験体側と反対の面の形状変化を計測する計測手段の探針(プローブ、以下、単にプローブ又は表面観察プローブとも称する)20とが縦方向に配列した縦型二重プローブ構造となる。ここには、図1(A)として先端が球面である圧子(以下、球面圧子と称す)、及び図1(B)として先端が円錐である圧子(以下、円錐圧子と称す)が例示されている。 FIG. 1 is a diagram illustrating an indenter portion of a microindentation tester according to an embodiment of the mechanical property measuring device of the present invention. The indentation portion of the indentation test apparatus (microscopic indentation tester) according to the present embodiment is a measuring means for measuring the shape change of the indenter for mechanical test (hereinafter, also referred to as an indenter) 4 and the surface of the indenter opposite to the test piece side. The probe (probe, hereinafter simply referred to as a probe or a surface observation probe) 20 and the probe (probe) 20 are arranged in the vertical direction to form a vertical double probe structure. Here, FIG. 1A exemplifies an indenter having a spherical tip (hereinafter referred to as a spherical indenter), and FIG. 1B exemplifies an indenter having a conical tip (hereinafter referred to as a conical indenter). There is.

図1には、この二重構造を反映し二つの直交座標が描かれており、圧子のための座標系は(Xi, Zi)であり、原点((Xi, Zi)=(0, 0))は圧子4の先端と試験体5の表面が接触する位置である。圧子4の先端を試験体5の表面に押し込む試験ではZiはマイナスの符号をとる。また、表面観察プローブのための座標系は(Xm, Zm)であり、原点((Xm, Zm)=(0, 0))は表面観察プローブ20の先端と圧子4の背面が接触する位置である(厳密には、例えば計測手段が走査型トンネル顕微鏡の場合、プローブ先端と圧子の表面とはトンネル電流が流れるサブナノメートルオーダーの隙間があり力学的には接触していない)。圧子4の先端を試験体5の表面に押し込む試験では、圧子4の背面は隆起するように盛り上がるため、Zmはプラスの符号となる。 In FIG. 1, two Cartesian coordinates are drawn to reflect this dual structure, the coordinate system for the indenter is (Xi, Zi), and the origin ((Xi, Zi) = (0, 0)). ) Is the position where the tip of the indenter 4 and the surface of the test piece 5 come into contact with each other. In the test in which the tip of the indenter 4 is pushed into the surface of the test piece 5, Zi takes a negative sign. The coordinate system for the surface observation probe is (Xm, Zm), and the origin ((Xm, Zm) = (0, 0)) is at the position where the tip of the surface observation probe 20 and the back surface of the indenter 4 come into contact with each other. (Strictly speaking, for example, when the measuring means is a scanning tunneling microscope, there is a sub-nanometer-order gap in which the tunnel current flows between the probe tip and the surface of the indenter, and they are not in mechanical contact with each other). In the test in which the tip of the indenter 4 is pushed into the surface of the test body 5, the back surface of the indenter 4 rises so as to be raised, so that Zm is a positive sign.

図1には、例として、半径rの中実な球体を高さHにおいて切り取った形状の球面圧子(A)、及び、中実な円錐形状であり面傾斜角がβ、高さがHである円錐圧子(B)が描かれている。
圧子の先端は一つの突起を持つ形状であり、例えば、球面、三角錐、四角錐、または、円錐である。図1に示す圧子4の構造は中実であるが、殻(シェル)でも良い。しかし、その背面は平滑であることが必要である。
In FIG. 1, as an example, a spherical indenter (A) having a shape obtained by cutting a solid sphere with radius r at a height H, and a solid conical shape with a surface inclination angle of β and a height of H. A conical indenter (B) is drawn.
The tip of the indenter has a shape with one protrusion, for example, a spherical surface, a triangular pyramid, a quadrangular pyramid, or a cone. The structure of the indenter 4 shown in FIG. 1 is solid, but it may be a shell. However, its back surface needs to be smooth.

圧子4の作製方法は、例えば、ナノインプリント、電解研磨法、ウエットエッチング、ドライエッチング、プラズマエッチング、フォトリソグラフィー、マイクロマシニング、などから選択して利用でき、サブミクロンからナノメートルオーダーの極小な先端曲率半径を持たせることができる。さらに、マイクロマシニング技術によれば、梁構造(カンチレバー)を持つ計測手段(例えば走査型プローブ顕微鏡)のプローブ20と接触用の圧子4を同時に作り込むことが可能となる。 The method for producing the indenter 4 can be selected from, for example, nanoimprint, electrolytic polishing, wet etching, dry etching, plasma etching, photolithography, micromachining, etc., and has a minimum tip radius of curvature on the order of submicron to nanometer. Can be given. Further, according to the micromachining technique, it is possible to simultaneously create a probe 20 of a measuring means (for example, a scanning probe microscope) having a beam structure (cantilever) and an indenter 4 for contact.

計測手段は圧子4の背面の変位を観察するために用いる装置であり、そのプローブ20は圧子4の移動に対して連動できるように設置されており、常に圧子4の背面を監視できる。このことにより、圧子4が試験体5と接触した瞬間を圧子4の背面の変形として捉えることができる。さらに、圧子4を試験体5に押し込む過程において、圧子4のZ軸方向の変位を形状変化として計測することができる。計測手段は、例えば、後述の走査型プローブ顕微鏡6を含むものであってよく、更に計測制御装置2もしくはその構成要素(変位計測装置7、精密位置決め装置8、表面解析装置9等)、情報処理装置3もしくはその構成要素(表面解析部13、記憶装置16等)から選ばれる1種以上を含むものであってもよい。 The measuring means is a device used for observing the displacement of the back surface of the indenter 4, and the probe 20 is installed so as to be interlocked with the movement of the indenter 4, and the back surface of the indenter 4 can be constantly monitored. As a result, the moment when the indenter 4 comes into contact with the test piece 5 can be regarded as a deformation of the back surface of the indenter 4. Further, in the process of pushing the indenter 4 into the test body 5, the displacement of the indenter 4 in the Z-axis direction can be measured as a shape change. The measuring means may include, for example, a scanning probe microscope 6 described later, and further includes a measurement control device 2 or its components (displacement measuring device 7, precision positioning device 8, surface analysis device 9, etc.), information processing. It may include one or more selected from the device 3 or its components (surface analysis unit 13, storage device 16, etc.).

すなわち、本発明の力学特性計測装置の一実施形態である顕微インデンテーション試験装置によれば、圧子4の先端を試験体5の表面に所定の押し込み深さまで接触させ、その接触中心点を基準とし、圧子4の試験体側と反対の面に対して接触中心点から垂直に降ろした点の変位もしくはその点からの距離を関数とする変位分布を計測手段により計測することによって、従来の光学顕微鏡を用いる方法では困難であったナノ領域での力学特性を評価することができる。該変位分布は、サブナノメートル以下の精度で計測できる汎用の各種の走査型プローブ顕微鏡が利用でき、例えば、走査型トンネル顕微鏡、原子間力顕微鏡、走査型近接場光学顕微鏡などから選択することができる。一般的な走査型プローブ顕微鏡の水平方向分解能はナノメートール以下、垂直方向分解能はサブナノメートル以下であり、光学顕微鏡では不可能であった測定確度の高いナノ領域での観察ができる。 That is, according to the microscopic indentation test device which is an embodiment of the mechanical property measuring device of the present invention, the tip of the indenter 4 is brought into contact with the surface of the test piece 5 to a predetermined pushing depth, and the contact center point is used as a reference. A conventional optical microscope can be obtained by measuring the displacement of a point perpendicularly lowered from the contact center point with respect to the surface of the indenter 4 opposite to the test piece side or the displacement distribution using the distance from that point as a function. It is possible to evaluate the mechanical properties in the nano region, which was difficult with the method used. Various general-purpose scanning probe microscopes capable of measuring with an accuracy of sub-nanometer or less can be used, and the displacement distribution can be selected from, for example, a scanning tunneling microscope, an atomic force microscope, a scanning near-field optical microscope, and the like. .. The horizontal resolution of a general scanning probe microscope is nanometer or less, and the vertical resolution is sub-nanometer or less, enabling observation in the nano region with high measurement accuracy, which was not possible with an optical microscope.

図2は、本発明の一実施形態に係る顕微インデンテーション試験装置を含む、インデンテーション・システムの基本構成の一例を説明するブロック図である。 FIG. 2 is a block diagram illustrating an example of a basic configuration of an indentation system including a microindentation test apparatus according to an embodiment of the present invention.

図2に示すインデンテーション・システムは、顕微インデンテーション試験機1と、計測制御装置2と、情報処理装置(電子計算機)3で構成される。 The indentation system shown in FIG. 2 is composed of a microindentation tester 1, a measurement control device 2, and an information processing device (electronic computer) 3.

顕微インデンテーション試験機1は、圧子4と、試験体5と、その先端を試験体5の表面に接触させる圧子4の背面を観察する走査型プローブ顕微鏡6(以下、プローブ顕微鏡ともいう)、とから構成される。 The microindentation tester 1 includes a scanning probe microscope 6 (hereinafter, also referred to as a probe microscope) for observing the indenter 4, the test piece 5, and the back surface of the indenter 4 whose tip is brought into contact with the surface of the test piece 5. Consists of.

計測制御装置2は、試験体5の表面と圧子4の先端との位置関係を計測する変位計測装置7と、試験体5と圧子4との接触が所定の圧入深さとなるよう位置制御する精密位置決め装置8、圧子4の背面を観察するプローブ顕微鏡6を制御する表面解析装置9、により構成される。 The measurement control device 2 is a displacement measuring device 7 that measures the positional relationship between the surface of the test body 5 and the tip of the indenter 4, and precision that controls the position so that the contact between the test body 5 and the indenter 4 becomes a predetermined press-fitting depth. It is composed of a positioning device 8 and a surface analysis device 9 that controls a probe microscope 6 for observing the back surface of the indenter 4.

情報処理装置3はコンピュータ(電子計算機)であり、入出力I/F(Interface)10、CPU(Central Processing Unit)11、条件設定部12、表面解析部13、特性値演算部14、位置制御部15、および、記憶装置16により構成される。情報処理装置3の有する各要素は、バス(Bus)によって接続されている。 The information processing device 3 is a computer (electronic computer), and is an input / output I / F (Interface) 10, a CPU (Central Processing Unit) 11, a condition setting unit 12, a surface analysis unit 13, a characteristic value calculation unit 14, and a position control unit. It is composed of 15 and a storage device 16. Each element of the information processing apparatus 3 is connected by a bus.

情報処理装置3の表面解析部13で使用される解析プログラムは記憶装置16に格納されており、試験条件である接触変位量を設定するように入出力I/F10を通してユーザーに入力を促し、さらに、コンピュータのメモリなどの主記憶装置上に展開されて実行を行う。同様に、情報処理装置3の位置制御部15で使用される位置制御プログラムは記憶装置16に格納されており、試験条件である接触変位量を設定するように入出力I/F10を通してユーザーに入力を促し、さらに、コンピュータのメモリなどの主記憶装置上に展開されて実行を行う。 The analysis program used in the surface analysis unit 13 of the information processing device 3 is stored in the storage device 16 and prompts the user to input through the input / output I / F 10 so as to set the contact displacement amount which is a test condition, and further. , Is deployed and executed on a main storage device such as computer memory. Similarly, the position control program used in the position control unit 15 of the information processing device 3 is stored in the storage device 16 and is input to the user through the input / output I / F 10 so as to set the contact displacement amount which is a test condition. Furthermore, it is expanded on the main storage device such as the memory of the computer and executed.

特性値演算部14で使用される演算プログラムは、記憶装置16に格納されており、条件設定部12を通して、圧子4の種類とその弾性率などの試験条件を設定するように入出力I/F10を通してユーザーに入力を促し、さらに、表面解析部13で解析された圧子4の背面変形の値と、記憶装置16に格納されている事前に実施された有限要素解析の結果から試験条件に合致するデータを選択し、コンピュータのメモリなどの主記憶装置上に展開されて実行を行う。 The calculation program used in the characteristic value calculation unit 14 is stored in the storage device 16, and the input / output I / F10 is set so as to set test conditions such as the type of the indenter 4 and its elastic coefficient through the condition setting unit 12. The test conditions are met from the value of the back surface deformation of the indenter 4 analyzed by the surface analysis unit 13 and the result of the finite element analysis performed in advance stored in the storage device 16. Data is selected and expanded on a main storage device such as computer memory for execution.

図3は、圧子の背面変位の変化を計測する装置として機能する走査型プローブ顕微鏡を備えた本発明の一実施形態に係る顕微インデンテーション試験装置の基本構成の一例である。 FIG. 3 is an example of a basic configuration of a microindentation test device according to an embodiment of the present invention, which includes a scanning probe microscope that functions as a device for measuring changes in the back displacement of an indenter.

次に、顕微インデンテーション試験装置により、試験中の圧子の背面変位を精密に計測する機構について説明する。 Next, a mechanism for accurately measuring the backside displacement of the indenter during the test using the microindentation test device will be described.

<顕微インデンテーション試験装置の構造>
図3は、本発明の一実施形態に係る顕微インデンテーション試験装置の機能構成の一例である。なお、以下では、図2に示すインデンテーション・システムの構成例も適宜参照して説明する。
<Structure of microindentation test equipment>
FIG. 3 is an example of the functional configuration of the microindentation test apparatus according to the embodiment of the present invention. In the following, a configuration example of the indentation system shown in FIG. 2 will also be described with reference to the appropriate reference.

ここでは、プローブ顕微鏡6の一例として、「光てこ」方式の原子間力顕微鏡が描かれているが、これに限定されるものではなく、種々の変更が可能である。 Here, as an example of the probe microscope 6, an atomic force microscope of the "light lever" type is drawn, but the present invention is not limited to this, and various changes can be made.

表面観察プローブ20は片持ち梁方式によりXYZ走査機構21に取り付けられており、選択した範囲内を高速に走査し表面情報を収集する。表面情報とは表面観察プローブ20の背面の位置情報である。表面情報はレーザ22と分割フォトダイオード23によって検出され、電流・電圧変換回路24とフィードバック回路25を経て情報処理装置3の表面解析部13に転送される。さらに、位置情報は解析プログラムにより三次元の表面変位分布として解析される。そして、数値化された背面変形量もしくは変位分布は、情報処理装置3の記憶装置16に書き込まれる。 The surface observation probe 20 is attached to the XYZ scanning mechanism 21 by a cantilever method, and scans within a selected range at high speed to collect surface information. The surface information is the position information on the back surface of the surface observation probe 20. The surface information is detected by the laser 22 and the divided photodiode 23, and is transferred to the surface analysis unit 13 of the information processing apparatus 3 via the current / voltage conversion circuit 24 and the feedback circuit 25. Further, the position information is analyzed as a three-dimensional surface displacement distribution by the analysis program. Then, the digitized back deformation amount or displacement distribution is written in the storage device 16 of the information processing device 3.

表面解析装置9によって制御されるプローブ顕微鏡6(走査型プローブ顕微鏡)の表面観察プローブ20の軸は、圧子4と試験体5との接触部とを結ぶ軸と一致するように配置する。こうすることで、圧子4を試験体5に接触させた際に圧子4の背面が変形する挙動をプローブ顕微鏡6で観察することが可能となる。 The axis of the surface observation probe 20 of the probe microscope 6 (scanning probe microscope) controlled by the surface analysis apparatus 9 is arranged so as to coincide with the axis connecting the contact portion between the indenter 4 and the test piece 5. By doing so, it becomes possible to observe the behavior of the back surface of the indenter 4 being deformed when the indenter 4 is brought into contact with the test body 5 with the probe microscope 6.

すなわち、本実施形態に係る顕微インデンテーション試験装置によれば、圧子4の先端を試験体5の表面に所定の押し込み深さまで接触させ、その接触中心点を基準とし、圧子4の試験体側と反対の面に対して接触中心点から垂直に降ろした点の変位もしくはその点からの距離を関数とする変位分布をプローブ顕微鏡6により計測することによって、従来の光学顕微鏡を用いる方法では困難であったナノ領域での力学特性を評価することができる。 That is, according to the microscopic indentation test apparatus according to the present embodiment, the tip of the indenter 4 is brought into contact with the surface of the test piece 5 to a predetermined pushing depth, and the contact center point is used as a reference, which is opposite to the test piece side of the indenter 4. By measuring the displacement of the point perpendicular to the surface of the contact with the probe microscope 6 or the displacement distribution using the distance from the point as a function, it was difficult to use the conventional optical microscope method. It is possible to evaluate the mechanical properties in the nano region.

試験体5の表面位置は、試験体5を載せた試験体保持台27を粗動機構26により上下させることにより、圧子4の先端に接近させることができる。さらに、近接量である空隙の絶対値は粗動機構26に設置した変位計測装置7を用いて計測され、情報処理装置3に転送し、表示させることができる。ただし、圧子4が試験体5と接触した接触点を空隙のゼロ点とする較正をあらかじめ実施しておく必要がある。この接触を検知する手法は種々の方法から選択することができるが、例えば、プローブ顕微鏡6が圧子4の背面の変位を捉えた事象を接触点の検出に利用することができる(詳細は実施例の項に記載する)。 The surface position of the test body 5 can be brought closer to the tip of the indenter 4 by moving the test body holding table 27 on which the test body 5 is placed up and down by the coarse movement mechanism 26. Further, the absolute value of the void, which is the proximity amount, can be measured by using the displacement measuring device 7 installed in the coarse motion mechanism 26, transferred to the information processing device 3, and displayed. However, it is necessary to perform calibration in advance so that the contact point where the indenter 4 comes into contact with the test piece 5 is the zero point of the void. The method for detecting this contact can be selected from various methods. For example, an event in which the probe microscope 6 captures the displacement of the back surface of the indenter 4 can be used for detecting the contact point (details are in Examples). Described in the section).

精密位置決め装置8を微動させることによって圧子4の先端を試験体5の表面に接触させる。情報処理装置3の条件設定部12で設定した所定の数値となるよう、変位計測装置7と精密位置決め装置8によって精密に調整される。このことにより、インデンテーション試験の圧入量(押し込み量)は確定される。圧入量を一定に保持するため、情報処理装置3の位置制御部15は、変位計測装置7の計測値に基づいて条件設定部12で設定した所定の数値となるよう、精密位置決め装置8に対してフィードバック制御を掛けるクローズドループ機能を備えている。 The tip of the indenter 4 is brought into contact with the surface of the test piece 5 by finely moving the precision positioning device 8. It is precisely adjusted by the displacement measuring device 7 and the precision positioning device 8 so as to have a predetermined value set by the condition setting unit 12 of the information processing device 3. As a result, the press-fitting amount (pushing amount) of the indentation test is determined. In order to keep the press-fitting amount constant, the position control unit 15 of the information processing device 3 has the precision positioning device 8 so as to have a predetermined value set by the condition setting unit 12 based on the measured value of the displacement measuring device 7. It has a closed loop function to apply feedback control.

接触で生じる負荷値が大きいほど、すなわち、試験体5の表面への押し込み量が多いほど、圧子4の背面変形量は大きい。したがって、精度良く圧子4の背面変形を定量計測するには精密位置決め装置8が微動する移動量を大きくさせることになる。この際、圧子4を試験体5の表面に押し込む移動にともないプローブ顕微鏡6の走査機構21も連動して移動する配置とすることで、圧子4が試験体5の表面に押し込む変位量はキャンセルされ、圧子背面の変形のみが計測される。圧子4と表面観察プローブ20が相対的に同じ位置となる装置配置により、表面観察プローブ20は圧子4の背面を常に観察できる。 The larger the load value generated by the contact, that is, the larger the amount of pushing into the surface of the test piece 5, the larger the amount of back deformation of the indenter 4. Therefore, in order to quantitatively measure the back deformation of the indenter 4 with high accuracy, the amount of movement of the precision positioning device 8 to be finely moved is increased. At this time, by arranging the scanning mechanism 21 of the probe microscope 6 to move in conjunction with the movement of pushing the indenter 4 into the surface of the test piece 5, the displacement amount of the indenter 4 pushing into the surface of the test piece 5 is cancelled. , Only the deformation of the back of the indenter is measured. Due to the device arrangement in which the indenter 4 and the surface observation probe 20 are relatively at the same position, the surface observation probe 20 can always observe the back surface of the indenter 4.

次に、実施例により本発明を詳細に説明する。 Next, the present invention will be described in detail by way of examples.

本発明の課題について、数値解析として有限要素法を選択し解析的に課題を検証した。有限要素解析は、弾塑性変形を含む接触問題に関し既に有効性が認められたソルバーとして、ここでは大規模有限要素法解析プログラム(FrontISTR)を選択した。接触の解析は非線形静解析にステップ解析を組み合わせて実施した。 Regarding the problem of the present invention, the finite element method was selected as the numerical analysis and the problem was verified analytically. For the finite element analysis, the large-scale finite element method analysis program (FrontISTR) was selected here as a solver that has already been confirmed to be effective for contact problems including elasto-plastic deformation. Contact analysis was performed by combining non-linear static analysis with step analysis.

有限要素法による計算をするに先立ち、前処理として、汎用のコンピューター・アプリケーション・ソフトウェア(CAD)を用いてモデル作成とメッシュ作成を実施した。ここでの要素数は約6万から約10万程度とした。さらに、有限要素解析の後処理として、汎用の可視化用コンピューター・アプリケーション・ソフトウェアを用いて計算結果を図示させた。
<実施例1>
Prior to the calculation by the finite element method, model creation and mesh creation were performed using general-purpose computer application software (CAD) as preprocessing. The number of elements here is about 60,000 to about 100,000. Furthermore, as a post-processing of finite element analysis, the calculation results were illustrated using general-purpose computer application software for visualization.
<Example 1>

図1(A)に示した球面圧子を有する顕微インデンテーション試験装置を用いた解析内容の詳細を記載する。 The details of the analysis contents using the microindentation test apparatus having the spherical indentation shown in FIG. 1 (A) are described.

球面圧子の球面の形状は直径がD、半径がrである中実の球体の表面である。球面圧子の高さHは、直径Dの1/4である(以下、1/4D球面圧子とも称す)。球面圧子のヤング率Eiは1000MPaに固定し、試験体のヤング率Esを250、500、750、1000、1500MPaと変化させた。また、球面圧子と試験体のポアソン比は0.0とした。 The spherical shape of the spherical indenter is the surface of a solid sphere with a diameter of D and a radius of r. The height H of the spherical indenter is 1/4 of the diameter D (hereinafter, also referred to as 1/4D spherical indenter). The Young's modulus Ei of the spherical indenter was fixed at 1000 MPa, and the Young's modulus Es of the test piece was changed to 250, 500, 750, 1000, 1500 MPa. The Poisson's ratio between the spherical indenter and the test piece was 0.0.

有限要素法による解析では寸法の絶対値に意味はないが、ここでは直径Dとして10ミクロン、球面圧子の高さHは2.5ミクロンを選択した。また、試験体は圧子と接触する面の縦Bと横Wが正方形の中実の直方体とした。ここでは、縦Bと横Wは10ミクロン、高さhは5ミクロンとした。また、球面圧子の試験体への圧入量の設定値として、50、100、200、300、400、500 nmと変化させた。 In the analysis by the finite element method, the absolute value of the dimension is meaningless, but here, the diameter D is 10 microns and the height H of the spherical indenter is 2.5 microns. The test piece was a solid rectangular parallelepiped with square vertical B and horizontal W on the surface in contact with the indenter. Here, the vertical B and the horizontal W are 10 microns, and the height h is 5 microns. Further, the set value of the press-fitting amount of the spherical indenter into the test piece was changed to 50, 100, 200, 300, 400, 500 nm.

図4は、球面圧子と試験体ともにヤング率が同じ値1000MPaである条件において、試験体への押し込み量を増大させた際の球面圧子の背面の変位分布に注目して有限要素解析した結果であり、接触中心からの距離Lを横軸として示した図である。 FIG. 4 shows the results of finite element analysis focusing on the displacement distribution on the back surface of the spherical indenter when the amount of pushing into the test piece is increased under the condition that the Young's modulus is the same value of 1000 MPa for both the spherical indenter and the test piece. It is a figure showing the distance L from the contact center as the horizontal axis.

圧子先端を試験体表面に押し込む試験であるため、圧子と試験体との間隔は狭くなり、球面圧子の背面の変位を示すZ軸変位量はマイナスの符号をとる。このことから、各条件における変位分布の解析結果について見てみると、解析された圧子背面の座標には設定値からのズレΔZが発生しており、すなわち、そのズレΔZは背面が隆起するように盛り上がっていること、さらに、そのズレΔZの最大値は接触点の真裏の背面(X=0)であることが判る。図4の右の図は、左の図に示された結果から試験体への圧入量の設定値で規格化して表示したものである。 Since the test is to push the tip of the indenter into the surface of the test piece, the distance between the indenter and the test piece becomes narrow, and the Z-axis displacement amount, which indicates the displacement of the back surface of the spherical indenter, has a negative sign. From this, looking at the analysis results of the displacement distribution under each condition, the coordinates of the analyzed indenter back surface have a deviation ΔZ from the set value, that is, the deviation ΔZ causes the back surface to rise. Furthermore, it can be seen that the maximum value of the displacement ΔZ is the back surface (X = 0) directly behind the contact point. The figure on the right of FIG. 4 is a standardized display based on the set value of the press-fitting amount into the test piece from the result shown in the figure on the left.

試験体への押し込み量の増大とともに球面圧子背面の変位は増大しており、圧入量500nmに対し接触点の背面では37.6nmの隆起がある。一般的な走査型プローブ顕微鏡の垂直方向分解能はサブナノメートル以下であるので、高い精度で変位分布を計測できることが判る。 The displacement of the back surface of the spherical indenter increases as the amount of pushing into the test piece increases, and there is a ridge of 37.6 nm on the back surface of the contact point with respect to the press-fitting amount of 500 nm. Since the vertical resolution of a general scanning probe microscope is sub-nanometer or less, it can be seen that the displacement distribution can be measured with high accuracy.

図5は、球面圧子のヤング率Eiを1000MPaに固定した条件において、試験体のヤング率Esを種々に変化させ(500、750、1000、1500MPa)、さらに、圧子先端の試験体表面への圧入量を種々に変化させた例(50、100、200、300、400、500 nm)において、球面圧子の背面の変位分布に注目して有限要素解析した結果であり、接触中心からの距離Lを横軸として示した図である。 In FIG. 5, under the condition that the Young's modulus Ei of the spherical indenter is fixed at 1000 MPa, the Young's modulus Es of the test piece is variously changed (500, 750, 1000, 1500 MPa), and the tip of the indenter is press-fitted into the surface of the test piece. It is the result of finite element analysis focusing on the displacement distribution of the back surface of the spherical indenter in the example (50, 100, 200, 300, 400, 500 nm) in which the amount is variously changed, and the distance L from the contact center is calculated. It is a figure shown as a horizontal axis.

図6は、球面圧子のヤング率Eiを1000MPaに固定し、圧子先端の試験体表面への圧入量(-Z)を500nmとした条件において、試験体のヤング率Esを種々に変化させた例(250、500、750、1000、1500MPa)、すなわち、試験体と球面圧子との弾性率比を0.25から1.5まで種々変化させ、球面圧子の背面の変位分布に注目して有限要素解析した結果であり、接触中心からの距離Lを横軸として示した図である。In FIG. 6, the Young's modulus Ei of the spherical indenter was fixed at 1000 MPa, and the Young's modulus Es of the test piece was variously changed under the condition that the press-fitting amount (-Z 0 ) of the tip of the indenter into the surface of the test piece was 500 nm. Example (250, 500, 750, 1000, 1500MPa), that is, the elastic modulus ratio between the test piece and the spherical indenter is variously changed from 0.25 to 1.5, and the displacement distribution on the back surface of the spherical indenter is finite. It is the result of element analysis, and is the figure which showed the distance L from the contact center as a horizontal axis.

図6の右の図は、左の図に示された結果を試験体への圧入量の設定値で規格化して再表示したものである。試験体のヤング率Esが増大するにつれ、球面圧子背面の最大変位量は増大している。球面圧子の背面で見られる隆起は、試験体のヤング率が高い場合(Es = 1500 MPa)、46.7nmであった。一方、球面圧子の背面で見られる隆起が一番小さい場合(Es = 250 MPa)、試験体の接触点の背面では24.4nmの隆起があるため、一般的な走査型プローブ顕微鏡を用いて変位分布を高い精度で計測できることが判る。 The figure on the right of FIG. 6 is a redisplay of the result shown in the figure on the left, standardized by the set value of the press-fitting amount to the test piece. As the Young's modulus Es of the specimen increases, the maximum displacement of the back surface of the spherical indenter increases. The ridge seen on the dorsal surface of the spherical indenter was 46.7 nm when the Young's modulus of the specimen was high (Es = 1500 MPa). On the other hand, if the ridge seen on the back of the spherical indenter is the smallest (Es = 250 MPa), there is a ridge of 24.4 nm on the back of the contact point of the specimen, so it is displaced using a general scanning probe microscope. It can be seen that the distribution can be measured with high accuracy.

図7は、既知のヤング率を持つ球面圧子を用いた顕微インデンテーション試験の結果から未知試料の試験体のヤング率を評価するための検量線である。上述して来たように、球面圧子の背面で見られる隆起は試験体への押し込み量及び試験体と圧子とのヤング率比で一律に決まる。したがって、図7中に示した2本の矢印が例示するように、所定の試験体への押し込み量(-Z)において計測された球面圧子背面の変位変化の最大値から、試験体と圧子とのヤング率比Es/Eiが求められる。さらに、その値に対して既知である圧子の弾性率Eiを積算することによって未知試料の弾性率Esが評価できる。
<実施例2>
FIG. 7 is a calibration curve for evaluating the Young's modulus of a test piece of an unknown sample from the result of a microindentation test using a spherical indenter having a known Young's modulus. As mentioned above, the ridge seen on the back surface of the spherical indenter is uniformly determined by the amount of pushing into the test piece and the Young's modulus ratio between the test piece and the indenter. Therefore, as illustrated by the two arrows shown in FIG. 7, the test piece and the indenter are obtained from the maximum value of the displacement change of the back surface of the spherical indenter measured at the pushing amount (-Z 0 ) into the predetermined test piece. Young's modulus ratio Es / Ei with. Further, the elastic modulus Es of the unknown sample can be evaluated by integrating the known elastic modulus Ei of the indenter with respect to the value.
<Example 2>

図1(B)に示した円錐圧子を有する顕微インデンテーション試験装置を用いた解析内容の詳細を記載する。 The details of the analysis contents using the microindentation test apparatus having the conical indenter shown in FIG. 1 (B) are described.

円錐圧子の形状は面傾斜角βが19.7度である中実の円錐(コーン)である。この角度は一般的なバーコビッチ型三角錐圧子と同一の圧子圧入量の時、同じ体積となる等価円錐から定められた値である。この面傾斜角(β=19.7)と円錐圧子背面の円の直径(D=10.0ミクロン)とから、圧子背面の高さHは1.79ミクロンとした。本実施例では、円錐圧子のヤング率Eiは1000MPaに固定し、試験体のヤング率Esを250、500、750、1000、1500MPaと変化させた。また、円錐圧子と試験体のポアソン比は0.0とした。 The shape of the cone indenter is a solid cone with a plane inclination angle β of 19.7 degrees. This angle is a value determined from an equivalent cone having the same volume when the indenter press-fit amount is the same as that of a general Berkovich-type triangular pyramid indenter. From this plane inclination angle (β = 19.7) and the diameter of the circle on the back surface of the conical indenter (D = 10.0 microns), the height H of the back surface of the indenter was 1.79 microns. In this example, the Young's modulus Ei of the conical indenter was fixed at 1000 MPa, and the Young's modulus Es of the test piece was changed to 250, 500, 750, 1000, 1500 MPa. The Poisson's ratio between the conical indenter and the test piece was 0.0.

試験体は圧子と接触する面の縦Bと横Wが正方形の中実の直方体とした。ここでは、縦Bと横Wは10ミクロン、高さhは5ミクロンとした。また、球面圧子の試験体への圧入量の設定値として、50、100、200、300、360、450、500 nmと変化させた。 The test piece was a solid rectangular parallelepiped with square vertical B and horizontal W on the surface in contact with the indenter. Here, the vertical B and the horizontal W are 10 microns, and the height h is 5 microns. Further, the set value of the press-fitting amount of the spherical indenter into the test piece was changed to 50, 100, 200, 300, 360, 450, 500 nm.

図8は、円錐圧子と試験体ともにヤング率が同じ値1000MPaである条件において、試験体への押し込み量を増大させた際の円錐圧子の背面の変位分布に注目して有限要素解析した結果であり、接触中心からの距離Lを横軸として示した図である。 FIG. 8 shows the results of finite element analysis focusing on the displacement distribution on the back surface of the conical indenter when the amount of pushing into the test piece is increased under the condition that the Young's modulus is the same value of 1000 MPa for both the conical indenter and the test piece. It is a figure showing the distance L from the contact center as the horizontal axis.

圧子先端を試験体表面に押し込む試験であるため、圧子と試験体との間隔は狭くなり、円錐圧子の背面の変位を示すZ軸変位量はマイナスの符号をとる。このことから、各条件における変位分布の解析結果について見てみると、解析された圧子背面の座標には設定値からのズレΔZが発生しており、すなわち、そのズレΔZは背面が隆起していること、さらに、そのズレΔZの最大値は接触点の真裏の背面(X=0)であることが判る。図8の右の図は、左の図に示された結果から試験体への圧入量の設定値で規格化して再表示したものである。 Since the test is to push the tip of the indenter into the surface of the test piece, the distance between the indenter and the test piece becomes narrow, and the Z-axis displacement amount, which indicates the displacement of the back surface of the conical indenter, has a negative sign. From this, looking at the analysis results of the displacement distribution under each condition, the coordinates of the analyzed indenter back surface have a deviation ΔZ from the set value, that is, the deviation ΔZ has a raised back surface. Furthermore, it can be seen that the maximum value of the displacement ΔZ is the back surface (X = 0) directly behind the contact point. The figure on the right of FIG. 8 is a standardized and redisplayed with the set value of the press-fitting amount into the test piece from the result shown in the figure on the left.

試験体への押し込み量の増大とともに円錐圧子背面の変位は増大しており、圧入量500nmに対し接触点の背面では35.9nmの隆起がある。一般的な走査型プローブ顕微鏡の垂直方向分解能はサブナノメートル以下であるので、高い精度で変位分布を計測できることが判る。 The displacement of the back surface of the conical indenter increases as the amount of indentation into the test piece increases, and there is a ridge of 35.9 nm on the back surface of the contact point with respect to the press-fitting amount of 500 nm. Since the vertical resolution of a general scanning probe microscope is sub-nanometer or less, it can be seen that the displacement distribution can be measured with high accuracy.

図9は、円錐圧子のヤング率Eiを1000MPaに固定した条件において、試験体のヤング率Esを種々に変化させ(500、750、1000、1500MPa)、さらに、圧子先端の試験体表面への圧入量を種々に変化させた例(50、100、200、300、360、450、500 nm)において、円錐圧子の背面の変位分布に注目して有限要素解析した結果であり、接触中心からの距離Lを横軸として示した図である。 In FIG. 9, under the condition that the Young's modulus Ei of the conical indenter is fixed at 1000 MPa, the Young's modulus Es of the test piece is variously changed (500, 750, 1000, 1500 MPa), and the tip of the indenter is press-fitted into the surface of the test piece. This is the result of finite element analysis focusing on the displacement distribution of the back surface of the conical indenter in the examples (50, 100, 200, 300, 360, 450, 500 nm) in which the amount was varied, and the distance from the contact center. It is the figure which showed L as the horizontal axis.

図10は、円錐圧子のヤング率Eiを1000MPaに固定し、圧子先端の試験体表面への圧入量(-Z)を500nmとした条件において、試験体のヤング率Esを種々に変化させた例(250、500、750、1000、1500MPa)、すなわち、試験体と円錐圧子との弾性率比を0.25から1.5まで種々変化させ、円錐圧子の背面の変位分布に注目して有限要素解析した結果であり、接触中心からの距離Lを横軸として示した図である。In FIG. 10, the Young's modulus Ei of the conical indenter was fixed at 1000 MPa, and the Young's modulus Es of the test piece was variously changed under the condition that the press-fitting amount (-Z 0 ) of the tip of the indenter into the surface of the test piece was 500 nm. Examples (250, 500, 750, 1000, 1500 MPa), that is, the elastic modulus ratio between the test piece and the conical indenter is varied from 0.25 to 1.5, and the displacement distribution on the back surface of the conical indenter is finite. It is the result of element analysis, and is the figure which showed the distance L from the contact center as a horizontal axis.

図10の右の図は、左の図に示された結果を試験体への圧入量の設定値で規格化して再表示したものである。試験体のヤング率Esが増大するにつれ、球面圧子背面の最大変位量は増大している。球面圧子の背面で見られる隆起は、試験体のヤング率が高い場合(Es = 1500 MPa)、40.9nmであった。一方、球面圧子の背面で見られる隆起が一番小さい場合(Es = 250 MPa)、試験体の接触点の背面では13.7nmの隆起があるため、一般的な走査型プローブ顕微鏡を用いて変位分布を高い精度で計測できることが判る。 The figure on the right of FIG. 10 is a redisplay of the result shown in the figure on the left, standardized by the set value of the press-fitting amount into the test piece. As the Young's modulus Es of the specimen increases, the maximum displacement of the back surface of the spherical indenter increases. The ridge seen on the dorsal surface of the spherical indenter was 40.9 nm when the Young's modulus of the specimen was high (Es = 1500 MPa). On the other hand, if the ridge seen on the back of the spherical indenter is the smallest (Es = 250 MPa), there is a ridge of 13.7 nm on the back of the contact point of the specimen, so it is displaced using a general scanning probe microscope. It can be seen that the distribution can be measured with high accuracy.

図11は、既知のヤング率を持つ円錐圧子を用いた顕微インデンテーション試験の結果から未知試料の試験体のヤング率を評価するための検量線である。上述して来たように、円錐圧子の背面で見られる隆起は試験体への押し込み量及び試験体と圧子とのヤング率比で一律に決まる。したがって、図11中に示した2本の矢印が例示するように、所定の試験体への押し込み量(-Z)において計測された円錐圧子背面の変位変化の最大値から、試験体と圧子とのヤング率比Es/Eiが求められる。さらに、その値に対して既知である圧子の弾性率Eiを積算することによって未知試料の弾性率Esが評価できる。
<実施例3>
FIG. 11 is a calibration curve for evaluating the Young's modulus of a test piece of an unknown sample from the result of a microindentation test using a conical indenter having a known Young's modulus. As mentioned above, the ridge seen on the back of the conical indenter is uniformly determined by the amount of indentation into the test piece and the Young's modulus ratio between the test piece and the indenter. Therefore, as illustrated by the two arrows shown in FIG. 11, the test piece and the indenter are taken from the maximum value of the displacement change of the back surface of the conical indenter measured at the pushing amount (-Z 0 ) into the predetermined test piece. Young's modulus ratio Es / Ei with. Further, the elastic modulus Es of the unknown sample can be evaluated by integrating the known elastic modulus Ei of the indenter with respect to the value.
<Example 3>

図1(A)に示した球面圧子を有する顕微インデンテーション試験装置を用いた実験内容の詳細を記載する。 The details of the experiment contents using the microindentation test apparatus having the spherical indentation shown in FIG. 1 (A) are described.

この実施例では、図1(A)に示した表面観察プローブ20としてレーザ光を選択し、反射式のCCDレーザ変位計(キーエンス製、LK-G35、レーザ波長:650nm)と自動駆動機構(シグマ光機製、SGSP20-85)とにより走査型プローブ顕微鏡を構成した。Z軸方向の変位計測の繰り返し精度は10nmである。 In this embodiment, a laser beam is selected as the surface observation probe 20 shown in FIG. 1 (A), a reflection type CCD laser displacement meter (Keyence, LK-G35, laser wavelength: 650 nm) and an automatic drive mechanism (Sigma). A scanning probe microscope was constructed with SGSP20-85) manufactured by Kouki. The repeatability of the displacement measurement in the Z-axis direction is 10 nm.

球面圧子の球面の形状は直径Dが44mmの中実の球体の表面であり、球面圧子の高さHは16mmである。球面圧子の材質はポリウレタンであり、球面圧子のヤング率Eiは230kPaに固定した。試験体の材質はポリウレタンとアルミニウム合金とし、ポリウレタンは、ヤング率Esが100、510kPaと異なる2種類を選択した。アルミニウム合金のヤング率Esは70 GPaである。 The spherical shape of the spherical indenter is the surface of a solid sphere with a diameter D of 44 mm, and the height H of the spherical indenter is 16 mm. The material of the spherical indenter was polyurethane, and the Young's modulus Ei of the spherical indenter was fixed at 230 kPa. The material of the test piece was polyurethane and an aluminum alloy, and two types of polyurethane having a Young's modulus Es of 100 and 510 kPa were selected. The Young's modulus Es of the aluminum alloy is 70 GPa.

試験体に対する球面圧子の圧入量は、死荷重による定荷重制御方式とした。球面圧子自体の重量は13.44gf(131.8mN)であり、それに追加する重りの重量(以下、追加重量とも称す)を、0gf(追加重量なし、0mN)、5.28gf(51.8mN)もしくは10.48gf(102.8mN)とした。よって、試験体の表面に負荷される総荷重は、13.44gf(131.8mN)、18.72gf(183.6mN)、23.92gf(234.6mN)となる。
なお、本実施例に関して記載する負荷力は、「1kgf=9.80665N」に従って換算されることが理解される。
The amount of the spherical indenter press-fitted into the test piece was a constant load control method based on dead weight. The weight of the spherical indenter itself is 13.44 gf (131.8 mN), and the weight of the weight added to it (hereinafter, also referred to as an additional weight) is 0 gf (no additional weight, 0 mN), 5.28 gf (51.8 mN). Alternatively, it was set to 10.48 gf (102.8 mN). Therefore, the total load applied to the surface of the test piece is 13.44 gf (131.8 mN), 18.72 gf (183.6 mN), and 23.92 gf (234.6 mN).
It is understood that the load force described for this embodiment is converted according to "1 kgf = 9.80665N".

図12は、低弾性体の代表としてポリウレタン(ヤング率Es:100kPa)を、高弾性体の代表としてアルミニウム合金(ヤング率Es:70GPa)を試験体として選択し、両者を比較するために重ねて図示したものである。実験は、試験体に球面圧子のみを載せた場合(追加重量を搭載しない場合)を基準(以下、Referenceとも称す)とし、順次、追加重量を搭載させた状態(図中、5.28gf、10.48gfと示す)における球面圧子の背面変位分布を計測した。 In FIG. 12, polyurethane (Young's modulus Es: 100 kPa) is selected as a representative of a low elastic body, and an aluminum alloy (Young's modulus Es: 70 GPa) is selected as a representative of a high elastic body, and they are overlapped for comparison. It is illustrated. In the experiment, the case where only the spherical indenter is mounted on the test piece (when no additional weight is mounted) is used as a reference (hereinafter, also referred to as Reference), and the additional weight is sequentially mounted (5.28 gf, 10 in the figure). The backside displacement distribution of the spherical indenter at .48 gf) was measured.

図13は、試験体としてヤング率Esが100、もしくは、510kPaである2種類のポリウレタンとヤング率Esが70 GPaであるアルミニウム合金の球面圧子の背面変位分布である。この図では、球面圧子の背面変位分布は、所定の負荷荷重によって決まる球面圧子の押し込み量(-Z)で規格化した値(-Z/Z)で表示してあるため、球面圧子背面の隆起が谷として図示される。試験体に負荷する荷重を増大させると、各図における谷はより深く、すなわち、隆起が大きくなることが判る。また、その隆起の最大値は、圧子と試験体との接触点の真裏の背面(X=0)であることが判る。さらに、隆起の負荷荷重依存性、すなわち、Referenceからの隆起変化(谷の深さ変化)と追加重量との関係に注目すると、試験体のヤング率が高いほど、同じ追加重量に対する隆起変化量ΔZ’x=0が大きいことが判る。FIG. 13 shows the back displacement distribution of a spherical indenter of two types of polyurethane having a Young's modulus Es of 100 or 510 kPa and an aluminum alloy having a Young's modulus Es of 70 GPa as a test piece. In this figure, the backside displacement distribution of the spherical indenter is displayed as a value (-Z / Z 0 ) normalized by the indentation amount (-Z 0 ) of the spherical indenter determined by a predetermined load, so that the back surface of the spherical indenter is displayed. Uplift is illustrated as a valley. It can be seen that when the load applied to the test piece is increased, the valleys in each figure become deeper, that is, the ridges become larger. Further, it can be seen that the maximum value of the ridge is the back surface (X = 0) directly behind the contact point between the indenter and the test piece. Furthermore, focusing on the load-load dependence of the uplift, that is, the relationship between the uplift change (change in valley depth) from Reference and the additional weight, the higher the Young's modulus of the test piece, the greater the uplift change amount ΔZ with respect to the same additional weight. It turns out that'x = 0 is large.

図14は、図13の隆起変化量ΔZ’x=0を縦軸に、球面圧子のヤング率Eiと試験体のヤング率Esとの比Es/Eiを横軸にプロットした図である。この図は、既知のヤング率を持つ球面圧子を用いた顕微インデンテーション試験の結果から未知試料の試験体のヤング率を評価するための検量線である。図14中に示した2本の矢印が例示するように、所定の追加重量で計測された圧子背面変位の隆起変化量ΔZ’x=0から、試験体と圧子とのヤング率比Es/Eiが求められる。さらに、その値に対して既知である圧子の弾性率Eiを積算することによって未知試料の弾性率Esが評価できる。 FIG. 14 is a diagram in which the amount of change in uplift ΔZ'x = 0 in FIG. 13 is plotted on the vertical axis and the ratio Es / Ei of the Young's modulus Ei of the spherical indenter to the Young's modulus Es of the test piece is plotted on the horizontal axis. This figure is a calibration curve for evaluating the Young's modulus of a test piece of an unknown sample from the result of a microindentation test using a spherical indenter having a known Young's modulus. As illustrated by the two arrows shown in FIG. 14, the Young's modulus ratio Es / Ei between the test piece and the indenter from the uplift change amount ΔZ'x = 0 of the indenter backside displacement measured at a predetermined additional weight. Is required. Further, the elastic modulus Es of the unknown sample can be evaluated by integrating the known elastic modulus Ei of the indenter with respect to the value.

以上、本発明の好ましい実施形態を、添付の図面を参照して例示の実施例により詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention have been described in detail with reference to the accompanying drawings by way of exemplary embodiments, but the present invention is not limited to such specific embodiments and is described in the scope of claims. Various modifications and changes are possible within the scope of the gist of the present invention.

1 顕微インデンテーション試験機
2 計測制御装置
3 情報処理装置(電子計算機)
4 圧子
5 試験体
6 プローブ顕微鏡
7 変位計測装置
8 精密位置決め装置
9 表面解析装置
10 入出力I/F
11 CPU
12 条件設定部
13 表面解析部
14 特性値演算部
15 位置制御部
16 記憶装置
20 表面観察プローブ
21 XYZ走査機構
22 レーザ
23 分割フォトダイオード
24 電流・電圧変換回路
25 フィードバック回路
26 粗動機構
27 試験体保持台
1 Microscopic indentation tester 2 Measurement control device 3 Information processing device (electronic computer)
4 Indenter 5 Specimen 6 Probe microscope 7 Displacement measuring device 8 Precision positioning device 9 Surface analysis device 10 Input / output I / F
11 CPU
12 Condition setting unit 13 Surface analysis unit 14 Characteristic value calculation unit 15 Position control unit 16 Storage device 20 Surface observation probe 21 XYZ scanning mechanism 22 Laser 23 Divided photodiode 24 Current / voltage conversion circuit 25 Feedback circuit 26 Roughing mechanism 27 Specimen Holding stand

Claims (10)

測定試料の試験体の表面に圧子を押し込んで接触させた状態で、圧子の試験体側と反対の面の形状変化を計測することによって、測定試料の力学特性を評価する工程を含み、
前記圧子のうち前記試験体に接触する側の先端は、一つの突起を持つ形状であることを特徴とする力学特性試験方法。
It includes a step of evaluating the mechanical properties of the measurement sample by measuring the shape change of the surface of the indenter opposite to the test piece side in a state where the indenter is pushed into contact with the surface of the test piece of the measurement sample.
A mechanical property test method characterized in that the tip of the indenter on the side in contact with the test piece has a shape having one protrusion.
前記圧子と、前記試験体と、表面観察プローブを備えた走査型プローブ顕微鏡と、を有する顕微インデンテーション試験機を用いて、
前記走査型プローブ顕微鏡により、前記圧子の先端を、前記試験体の表面に前記圧子を押し込んで接触させた状態で、前記圧子の前記試験体側と反対の面の形状変化を計測する請求項1に記載の力学特性試験方法。
Using a microindentation tester comprising the indenter, the test piece, and a scanning probe microscope provided with a surface observation probe,
According to claim 1, the shape change of the surface of the indenter opposite to the test piece side is measured in a state where the tip of the indenter is brought into contact with the surface of the test piece by pushing the indenter with the scanning probe microscope. The described mechanical property test method.
前記顕微インデンテーション試験機と、計測制御装置と、情報処理装置とを有する力学特性計測装置を用いて、
前記計測制御装置により、
前記試験体の表面と前記圧子の先端との位置関係を計測し、
前記試験体と前記圧子との押し込みが所定の圧入深さとなるように位置制御し、
前記圧子の背面を観察する前記走査型プローブ顕微鏡を制御し、
前記情報処理装置により、
前記顕微インデンテーション試験機から前記表面観察プローブの背面の表面情報を受け取り、表面変形量もしくは表面変位分布として解析し、
解析された表面変形量もしくは表面変位分布を記憶装置に記憶し、
前記記憶装置に記憶された既知の力学特性を有する前記圧子を用いた前記顕微インデンテーション試験機による顕微インデンテーション試験の結果から、未知試料の試験体の力学特性を評価することを特徴とする請求項2に記載の力学特性試験方法。
Using the mechanical characteristic measuring device having the microindentation tester, the measurement control device, and the information processing device,
By the measurement control device
The positional relationship between the surface of the test piece and the tip of the indenter was measured.
The position is controlled so that the indentation between the test piece and the indenter has a predetermined press-fitting depth.
Control the scanning probe microscope to observe the back surface of the indenter,
With the information processing device
The surface information on the back surface of the surface observation probe is received from the microindentation tester and analyzed as the amount of surface deformation or the surface displacement distribution.
The analyzed surface deformation amount or surface displacement distribution is stored in the storage device, and
A claim characterized in that the mechanical properties of a test piece of an unknown sample are evaluated from the results of a microindentation test by the microindentation tester using the indenter having known mechanical properties stored in the storage device. Item 2. The mechanical property test method according to Item 2.
前記圧子の前記試験体表面との接触中心点を基準とし、前記圧子の前記試験体側と反対の面に対して接触中心点から垂直に降ろした点の変位もしくはその点からの距離を関数とする変位分布を計測する請求項1から3のいずれか一項に記載の力学特性試験方法。 With reference to the contact center point of the indenter with the surface of the test piece, the displacement of the point perpendicularly lowered from the contact center point with respect to the surface of the indenter opposite to the test piece side or the distance from that point is used as a function. The mechanical property test method according to any one of claims 1 to 3, wherein the displacement distribution is measured. 測定試料の試験体に押し込む圧子と、
圧子の試験体側と反対の面の形状変化を計測する計測手段と、を備え、
前記圧子のうち前記試験体に接触する側の先端は、一つの突起を持つ形状であることを特徴とする力学特性計測装置。
The indenter that is pushed into the test piece of the measurement sample and
It is equipped with a measuring means for measuring the shape change of the surface of the indenter opposite to the test piece side.
A mechanical property measuring device characterized in that the tip of the indenter on the side in contact with the test piece has a shape having one protrusion.
顕微インデンテーション試験機を備え、この顕微インデンテーション試験機は、
前記圧子と、
前記試験体と、
前記圧子の先端を、前記試験体の表面に前記圧子を押し込んで接触させた状態で、前記圧子の前記試験体側と反対の面の形状変化を計測する、表面観察プローブを備えた走査型プローブ顕微鏡を有し、
前記計測手段は、前記走査型プローブ顕微鏡を含む、請求項5に記載の力学特性計測装置。
Equipped with a micro-indentation tester, this micro-indentation tester is
With the indenter
With the test piece
A scanning probe microscope equipped with a surface observation probe that measures the shape change of the surface of the indenter opposite to the test piece side in a state where the tip of the indenter is brought into contact with the surface of the test piece by pushing the indenter. Have,
The mechanical property measuring apparatus according to claim 5, wherein the measuring means includes the scanning probe microscope.
前記顕微インデンテーション試験機と、計測制御装置と、情報処理装置とを備え、
前記計測制御装置は、
前記試験体の表面と前記圧子の先端との位置関係を計測する変位計測装置と、
前記試験体と前記圧子との接触が所定の圧入深さとなるように位置制御する精密位置決め装置と、
前記圧子の背面を観察する前記走査型プローブ顕微鏡を制御する表面解析装置を有し、
前記情報処理装置は、
前記顕微インデンテーション試験機から前記表面観察プローブの背面の表面情報を受け取り、三次元の表面変形量もしくは表面変位分布として解析する表面解析部と、
前記表面解析部で解析された表面変形量もしくは表面変位分布を記憶する記憶装置を有し、
前記記憶装置に記憶された既知の力学特性を有する前記圧子を用いた、前記顕微インデンテーション試験機による顕微インデンテーション試験の結果から、未知試料の試験体の力学特性を評価する、請求項6に記載の力学特性計測装置。
The microindentation tester, the measurement control device, and the information processing device are provided.
The measurement control device is
A displacement measuring device that measures the positional relationship between the surface of the test piece and the tip of the indenter,
A precision positioning device that controls the position so that the contact between the test piece and the indenter has a predetermined press-fitting depth.
It has a surface analysis device that controls the scanning probe microscope for observing the back surface of the indenter.
The information processing device is
A surface analysis unit that receives surface information on the back surface of the surface observation probe from the microindentation tester and analyzes it as a three-dimensional surface deformation amount or surface displacement distribution.
It has a storage device that stores the surface deformation amount or surface displacement distribution analyzed by the surface analysis unit.
The sixth aspect of the present invention is to evaluate the mechanical properties of a test piece of an unknown sample from the results of a microindentation test by the microindentation tester using the indenter having the known mechanical properties stored in the storage device. The described mechanical property measuring device.
前記圧子と、前記表面観察プローブの探針とが縦方向に配列した縦型二重構造を有する請求項6又は7に記載の力学特性計測装置。 The mechanical property measuring apparatus according to claim 6 or 7, which has a vertical double structure in which the indenter and the probe of the surface observation probe are arranged in the vertical direction. 前記表面観察プローブは、片持ち梁方式により前記走査型プローブ顕微鏡のXYZ走査機構に、前記XYZ走査機構と連動できるように取り付けられている、請求項6から8のいずれか一項に記載の力学特性計測装置。 The mechanics according to any one of claims 6 to 8, wherein the surface observation probe is attached to the XYZ scanning mechanism of the scanning probe microscope by a cantilever method so as to be interlocked with the XYZ scanning mechanism. Characteristic measuring device. 前記走査型プローブ顕微鏡は、前記圧子の前記試験体表面との接触中心点を基準とし、
圧子の試験体側と反対の面に対して接触中心点から垂直に降ろした点の変位もしくはその点からの距離を関数とする変位分布を計測するように構成されている、請求項6から9のいずれか一項に記載の力学特性計測装置。
The scanning probe microscope uses the contact center point of the indenter with the surface of the test piece as a reference.
Claims 6 to 9 are configured to measure the displacement of a point perpendicularly lowered from the contact center point with respect to the surface of the indenter opposite to the test piece side or the displacement distribution using the distance from the point as a function. The mechanical property measuring device according to any one of the items.
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