ZHN-万能纳米压痕试验机

难以想象的尺寸

万能纳米试验机ZHN具备常规硬度计难以企及的试验力和位移分辨率,从而保证了能够针对薄表层或微小面积的综合机械特性的测试能力。这包括压痕硬度、压痕模量和ISO 14577马氏硬度(仪器化压痕硬度测量)。
ZHN 纳米压痕试验机

主要优势和特点

  • 现代化的软件、具有清晰的结构设计
  • 坚固的机架设计,压头轴向与上下移动轴向一致(无倾斜力矩)
  • 高度模块化来自于:
    • 可更换的测量压头在轴向(20 N / 2 N / 0.2 N) 及横向方向,加载条件的真实建模。
    • 独特的串联光学系统(为了更合理的空间配置而研发),配备2个照相机;能结合物镜扩展至4个不同的放大倍数
    • 软件结构的特点有功能/应用模块,用于硬度和杨氏模量测试、划痕测试和阶梯振幅进行的周期压痕测试
  • 多种试样架可供选择,包括用于绝缘材料的试样台的压头---不直接接触试样的测量
  • 在所有方向上都有足够的空间,具有精确的步长和高分辨率:
    • X轴方向:100 mm
    • Y轴方向200 mm
    • Z轴方向:70 mm
  • 新的隔绝罩设计,具有改进的隔热和隔音效果

ZHN应用

符合DIN EN ISO 14577标准的硬度和杨氏模量试验

用一个玻氏压头测得硬度值

用一个玻氏压头测得硬度值

测量通常是用一个玻氏压头进行的,对试验力进行控制/快速测量也是可能的,例如:10s加载,5s保载,及4s卸载。

  • 测量值:
  • 压痕硬度HIT (重新评估成HV)
  • 马氏硬度HM或HMs
  • 压痕模量EIT (弹性模量)
  • 压痕蠕变CIT或松弛RIT
  • 弹性比功nIT:弹性变形与压入总功的比值

能测定超过60个数值

维氏硬度

维氏硬度对比

查看维氏硬度的相对偏差

Vickers hardness can be calculated from the indention hardness. A comprehensive study conducted by the Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM) compared 20 materials using the conventional Vickers hardness method and the Vickers hardness method with values calculated with InspectorX algorithms and reevaluated using HIT. It showed a mean difference of < 10% vs. 25-30% with other software packages.

[T. Chudoba, M. Griepentrog, International Journal of Materials Research 96 (2005) 11 1242 – 1246]

用准静态连续刚度测试模块进行深度测量

QCSM -准静态连续刚度测试

准静态连续刚度测试模块的示意图

The "Quasi-continuous Stiffness Measurement Method" is a module developed by ASMEC to enable sample contact stiffness to be determined using the unloading curve for many points during the indentation process rather than just for a depth. This allows depth-dependent determination of hardness and Young's modulus at one and the same sample location. In addition, measurement sensitivity at low forces is increased, enabling stiffness values to be determined for very low forces and indentation depths. With the QCSM module the load increase is paused for a short time (1-4 seconds) and a sinusoidal vibration is superimposed on the Piezo voltage. In contrast to other methods, the amplitude for force or displacement is not specified directly. Amplitude and vibration phase are determined using a lock-in filter.

用神经网络测定应力-应变曲线

使用ZHN纳米硬度计进行神经网络分析

Together with the Karlsruhe Research Center, a method has been developed that allows the entire stress-strain curve of metals to be determined from indentions made by spherical indenters. It is based on the use of neural networks to identify parameters and it also takes into consideration kinematic hardening.

测定强度值

用ZHN进行试样剖面测量

以100 µN的接触力垂直于划痕进行扫描

Surface scans can be performed with the lateral force unit (LFU) in the X direction with nm-resolution and also without LFU with the XY tables with μm resolution. Roughness values such as Ra, Rq or Rt are determined.

微观磨损试验

使用纳米硬度计ZHN进行微观磨损测试

用一个金刚石球形压头(半径55 μm)在类金刚石图层上进行磨损测试,左边一列试验力1000mN,右边一列试验力1500mN,振幅50μm,测量时间1800s

Oscillating wear tests with amplitudes up to 140 μm can be performed.

划痕及微观划痕测试

在硅材料上进行微观划痕测试,Fmax 500 mN

在一个硅图层上做划痕测试,Fmax 500 mN

The tests are typically performed with spherical tips with a radius between 5 and 10 μm. Stress maximum is most often in the coating and not in the substrate. Multiple scans of the surface are possible. The wear on the tip and impact of surface roughness is reduced by the small scratch length.

更多使用ZHN的应用

  • 用一个球形压头测定屈服点(配合ELASTICA软件)
  • 用球形压头进行弹性测量,测定杨氏模量,包括很薄、厚度小于50nm的硬质薄膜
  • 显微拉伸试验
  • 低周疲劳测试
使用ZHN纳米硬度计测量横向试验力

一个提供多功能和灵活性的测试概念

ZHN万能纳米试验机使用了ASMEC公司的久经考验的纳米硬度计技术。在第一次的研发中,两个测量压头被放置于轴向(纳米硬度计原理)和横向(划痕试验机原理)方向中,在纳米分辨率尺度上完全相互独立。于是第一次能测得横向试验力-行程曲线,可能获取与过去相比更多的材料参数(参见典型应用)。包括试样的横向刚度和纯弹性横向变形数据。

双立柱机架以其单主螺杆和精确的导向为特点,保证了更坚固的机架设计,同时压头轴向与上下移动方向完全一致,无倾斜力矩和正弦误差。设备刚度高于106 N/m,无需修正并大大简化了对测试区域的校正流程。

不同于其它生产商的仪器,两个测量压头都能进行拉伸和压缩测试,叠加振幅使硬度测试升级成周期疲劳测试。

ZHN的测量压头的两个专利:

轴向试验力原理

轴向试验力单元(NFU)

法向试验力单元(NFU)

  • Movement in the normal direction and high stiffness in the lateral direction thanks to the double leaf-spring system
  • Robust construction
  • No inductive sensor stop in the event of an overload and thus no damage
  • The shaft can bear heavier weights without leaving the measurement range Any kind of customer-specific probes can be easily used

横向试验力原理

横向试验力单元(LFU)

  • Specimen grips with the specimen in the middle of perpendicularly positioned leaf springs
  • Can move easily in the lateral direction without a vertical change to the specimen position if sufficient stiffness in the normal direction exists
  • Force generation decoupled from the force measurement
  • Application and measurement of lateral forces without lateral movement possible
ZHN纳米硬度计光学设备的细节

模块化的光学设计

您能在纳米硬度计上增加可用的测试方法数量,并结合我们不同的光学系统,例如与AFM整合。

光学设备-优势和特点

  • 50x物镜-试样表面反射光直接通过分光镜和镜片进入两个照相机中
  • 从光学图片中能获得
    • 定义的测量点
    • 测量点与点之间的距离和周长
    • 只需一个按键即可查看现有的测量点
    • 可控制的光线和图像参数
    • 显示标尺及记录时间
  • 非机械式的目镜切换保证了高定位精度和放大倍数的快速切换
  • 即使是低反射的材料表面例如玻璃也能获得高质量的图像
  • 自动对焦功能可设定一个准确的对焦高度从而获取清晰的图像
  • 自动生成测量点的图像(程序化)
  • 对于高低不同的试样表面可由焦距不同下获取的图像拼接成一张完整的图像

多种光学选项

白光干涉仪整合于ZHN中

白光干涉仪整合于ZHN中

Optic options

As standard, the tandem microscope and 50x lens is included in the ZHN scope of supply A 50x lens with extended working distance is available as an option. Furthermore, there is a 5x lens or white light interferometer available as the second objective lens.

Description

Item number

Long-distance lens 50x for tandem microscope for ZHN

  • Large working distance of 10.6 mm (otherwise 0.38 mm)
  • Additional charge, replaces the standard lens 50x

1016479

Lens 5x as second lens for tandem measuring microscope

  • Includes lens slider (manual) for changing between lenses
    With two different magnifications

1011431

SmartWLI white light interferometer

  • Optical profilometer as module for the ZHN with use of original ZHN optics
    With 2 cameras

Components:

  • Mirau lens 50x
  • Piezoelectric lens adjuster 400 μm (390 μm usable) for adjusting the height
  • SmartWLI software (without stitching module)
  • MountainsMap Imaging Topography software for 2.5D presentations and analysis
  • Includes lens slider (manual) for changing between lenses

1023953

原子力显微镜(AFM)

将原子力显微镜AFM与ZHN纳米硬度计连接

纳米压痕试验机和原子力显微镜(AFM)能整合于一个独立系统中,进行全面、(半)自动分析。先用原子力显微镜测定表面粗糙度;这帮助定义最小的压入深度。再将试样固定于纳米试验机上,对相同位置进行力学分析。最后再将试样放置于原子力显微镜下研究材料的应力诱发性能例如“堆积”和“沉陷”或压痕附近的裂纹现象这些效益可能会影响硬度和杨氏模量的数值。

描述

订购号

NaniteAFM C100原子力显微镜可实现以下标准测量模式:静态力(接触)、动态力、力调制、扩散电阻、相差、磁力、静电力

包含:

  • Nanosurf C1000 电子控制器(24/32-bit),包含用于外部控制系统(COM界面)的编程文本界面
  • NaniteAFM测量压头(110 µm x 110µm x 20µm),配备高分辨率照相机,可记录上方和侧面的图像
  • NaniteAFM测量压头支撑台-精确安装,用于安装在ZwickRoell 纳米硬度计上
  • NaniteAFM 样品台204-安装在系统外,增加隔振系数
  • NaniteAFM工具包
  • 用于大测量范围的AFM试样包
  • 用于静态测量模式的AFM测量头(10片)
  • 用于动态测量模式的AFM测量头(10片)

1025985

技术概览

以下是基础版本配备不同镜头的技术参数以及测量头的细节,例如试验力测量的电子分辨率。

基础版本配备 50x 镜头

描述

数值

订货号

1011428

尺寸(高度 x 宽度 x深度)

790 x 640 x 390

mm

重量

大约105

kg

电压

230

V

光学设备

配备两个摄像机的串联显微镜

1280 x 1024 像素, USB 3.0 接口

镜头

50 x [1]

工作行程

0.38/10.6 [2]

mm

照明

绿色LED灯,最大功率1W

光学放大至 23英寸(照相机1/照相机2)

1000 x/3350 x

视场(照相机1/照相机2)

324 x 259 μm/96 x 77 μm

像素分辨率小/大(照相机1/照相机2)

254 nm/76 nm

载物台系统

X-轴行程

200 mm, 步级 50 nm

Y-轴行程

100 mm, 步级 50 nm

Z-轴行程

70 mm, 步级 10 nm

最大试样尺寸(X x Y x Z)

80 x 80 x 60

mm

最大划痕长度

25[3]

mm

  1. 包含在标准配送的货物中
  1. 长行程镜头,参见光学版本
  1. 取决于试样表面光滑度

基础版本配备5x镜头

描述

数值

订货号

1011428

尺寸(高度 x 宽度 x深度)

790 x 640 x 390

mm

重量

大约105

kg

电压

230

V

光学设备

配备两个摄像机的串联显微镜

1280 x 1024 像素, USB 3.0 接口

镜头

5 x[1]

工作行程

10.6

mm

照明

绿色LED灯,最大功率1W

光学放大至 23" (照相机1/照相机2)

100 x/335 x

视场(照相机1/照相机2)

3.2 x 2.6 mm / 0.97 x 0.7 mm

像素分辨率小/大(照相机1/照相机2)

2540 nm/760 nm

载物台系统

X轴行程

200 mm, 步级 50 nm

Y轴行程

100 mm, 步级 50 nm

Z轴行程

70 mm, 步级 10 nm

最大试样尺寸(X x Y x Z)

80 x 80 x 60

mm

最大划痕长度

25[2]

mm

  1. 手动调节的5x镜头,参见光学版本
  1. 取决于试样表面光滑度

法向测量压头的技术参数

NFU (轴向试验力单元) 测量压头

订货号

1016415

1016416

最大试验力(Fmax),法向[1]

约为2

约为0.2

N

数字分辨率,试验力测量

≤0.02

≤0.002

μN

背景噪音,试验力测量

≤2[2]

≤0.2[2]

μN

最大行程

大约200[1]

大约200[1]

μm

数字分辨率,行程测量

≤0.002

≤0.002

nm

背景噪音,行程测量(在8 Hz时为1 σ )

≤0.3

≤0.3

nm

背景噪音,行程测量(闭环模式下为1 σ )

≤0.2

≤0.2

nm

动态模块 [3]

最大振荡频率

300

300

Hz

刚度评估的最大频率

70

25

Hz

数据采集速率

40

40

kHz

最大力振幅

> 100

> 100

mN

  1. 压缩和拉伸
  1. 信噪比106
  1. 仅与准静态连续刚度模式连接

横向测量压头的技术参数

横向试验力测量压头(LFU)

描述

数值

订货号

1021148

最大试验力(Fmax),横向[1]

大约2

N

数字分辨率,试验力测量

≤ 0.02

μN

背景噪音,试验力测量

≤ 6

μN

最大行程[1]

大约75

μm

数字分辨率,行程测量

≤ 0.002

nm

背景噪音,行程测量

≤ 0.5

nm

  1. 压缩和拉伸

典型应用

  • 软质材料(聚合物)和硬质材料(金刚石类型图层)的图层研发
  • 测定裂纹或塑料变形的临界应力
  • 工具的硬质材料图层、防划痕保护
  • 玻璃的保护图层
  • 涂料及溶胶-凝胶图层
  • 在横截面上自动测量位于一条线上的压痕硬度
  • 传感器和MEMS/NEMS的纳米图层
  • 生物材料
  • 合金的基体效应(绘图-面扫功能)
  • 陶瓷材料和复合材料
  • 离子注入表面
  • 微电子的损伤分析
  • 测定表面承载能力(ELASTICA)

可加热试样至400°C

试样高温炉能安装于ZHN上,代替标准试样夹具。它使用自然冷却,无需提供冷却水。它能够测量横向试验力和划痕测试,无需横向试验力贡献

操作原理

使用两个加热电路,试样下有一个加热片,试样上的罩子上有一个加热筒。一个伸长的Macor杆连接压头穿到罩子内,加热压头的同时加热试样周围的压缩空气。加热元件中整合PT100温度传感器。

顶盖能在测试后移除,可利用长程镜头对样品表面进行观察,以确保超高定位精度。试样与加热板通过底部顶针被按压到一起,从而使试样的固定更方便。无需粘合剂便可固定试样。

试样高温炉的技术参数

描述

数值

订货号

1045659

最高温度

400

°C

最大加热速率

100

K/min

温度稳定性

≤ 1

K

试样的最大尺寸

15 x 15 x 5

mm

试样的最小尺寸

5 x 5 x 2

mm

最大测量范围

4 x 4

mm

Characterization of coatings in the nano range

As coatings become thinner, the difficulty in determining their physical properties increases. The limits of previously tried and tested surface engineering techniques are encountered and results become unreliable. Available from ZwickRoell is an efficient solution to this problem in the form of a tester developed specifically for characterizing mechanical surface properties in the micro and nano ranges.
LFU_01
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