[논문 리뷰] A method for measuring the contact area in instrumented indentation testing by tip scanning probe microscopy imaging

L. Charleux, V. Keryvin외 4명|arXiv (Cornell University)|2013. 11. 09.

Force Microscopy Techniques and Applications인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 인덴테이션 테스트에서 접촉 면적을 측정하기 위한 새로운 사후(post mortem) 방법을 제안한다. 이 방법은 스캐닝 프로브 미세분석(SPM)에서 확보한 고도 이미지, 특히 인덴터 톱재 스캐닝 프로브 미세분석(ITSPM)을 활용한다. 이 방법은 다양한 재료에서 일관되게 5% 이내의 낮은 오차 수준을 달성하며, 세 가지 고전적 직접 방법보다 뛰어나며, 기계나 샘플 홀더의 강성 영향에 대해 강건하다. 또한 인덴터 校정이나 조정 가능한 매개변수를 필요로 하지 않는다.

ABSTRACT

The determination of the contact area is a key step to derive mechanical properties such as hardness or an elastic modulus by instrumented indentation testing. Two families of procedures are dedicated to extracting this area: on the one hand, post mortem measurements that require residual imprint imaging, and on the other hand, direct methods that only rely on the load vs. the penetration depth curve. With the development of built-in scanning probe microscopy imaging capabilities such as atomic force microscopy and indentation tip scanning probe microscopy, last generation indentation devices have made systematic residual imprint imaging much faster and more reliable. In this paper, a new post mortem method is introduced and further compared to three existing classical direct methods by means of a numerical and experimental benchmark covering a large range of materials. It is shown that the new method systematically leads to lower error levels regardless of the type of material. Pros and cons of the new method vs. direct methods are also discussed, demonstrating its efficiency in easily extracting mechanical properties with an enhanced confidence.

연구 동기 및 목표

• 기구적 인덴테이션 테스트에서 접촉 면적을 더 정확하고 신뢰성 있게 측정할 수 있는 방법을 개발하기 위해.
• 직접 방법의 한계를 해결하기 위해, 이는 하중-변위 곡선에만 의존하며, 피로, 침강, 기계 강성 영향에 민감하기 때문이다.
• 인덴터 톱재 스캐닝 프로브 미세분석(ITSPM)의 발전을 활용하여 체계적이고 자동화된 임프린트 잔류도 이미징을 실현하기 위해.
• 사용자에 따라 달라지지 않고, 보정이 필요 없으며, 표면 탐지 오차나 오염된 강성 영향에 민감하지 않은 접근법을 제공하기 위해.

제안 방법

• 이 방법은 SPM, 특히 ITSPM에서 확보한 고도 이미지를 사용하여 잔류 인덴트 형상을 복원하고, 투영된 접촉 면적을 추출한다.
• 잔류 인덴트가 인덴테이션 종료 후부터 이미징 시점까지 변화하지 않는다는 가정에 기반한다. 이는 대부분의 재료에 대해 성립하지만, 고체 거동을 보이는 고무나 폴리머와 같이 시간에 따라 변화하는 재료는 제외된다.
• 접촉 면적은 인덴트의 3차원 표면도에서 직접 계산되며, 조정 가능한 매개변수나 인덴터 보정이 필요로 하지 않는다.
• 이 방법은 모든 인덴터 기하학적 형상과 호환되며, 완전히 자동화되어 현대 인덴테이션 시스템에 ITSPM 기능을 탑재한 경우에 통합 가능하다.
• 침입 깊이(h)에 의존하지 않기 때문에, 기계나 샘플 홀더의 탄성 변형으로 인한 오차를 제거한다.
• 이 방법은 다양한 기계적 거동을 보이는 재료에서 수치적 시뮬레이션과 실험 테스트를 통해 검증되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 사후 SPM 기반 방법이 고전적 직접 방법보다 접촉 면적 추정에서 일관되게 낮은 측정 오차를 달성할 수 있는가?
• RQ2 이러한 방법은 탄성, 플라스틱, 이방성 거동을 보이는 다양한 재료에서 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ3 기계 및 샘플 홀더의 강성 영향으로 인해 직접 방법에 영향을 받는 경우, 이 방법의 강건성은 어느 정도인가?
• RQ4 크리프나 완화 거동을 보이는 시간에 따라 변형되는 재료에서 이 방법은 정확성이 유지되는가?
• RQ5 이 방법은 ITSPM 기능을 갖춘 현대 인덴테이션 시스템에 완전히 자동화되어 통합될 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 방법은 테스트된 모든 재료에서 접촉 면적 측정 오차가 일관되게 5% 이내로 유지되며, 세 가지 고전적 직접 방법보다 뚜렷이 뛰어나다.
• 수치적 및 실험적 기준을 통해 금속, 세라믹, 고무 등 다양한 재료 유형에서 오차 수준이 체계적으로 감소하는 것으로 확인되었다.
• 직접 방법과 달리, 이 방법은 기계나 샘플 홀더의 강성 영향에 민감하지 않으며, 이로 인해 침입 깊이 및 접촉 강성 측정 오차가 발생하지 않는다.
• 이 방법은 침입 깊이(h)를 면적 계산에 사용하지 않기 때문에 표면 탐지 오차에 영향을 받지 않는다.
• 이 방법은 완전히 자동화되고 사용자에 따라 달라지지 않으며, 인덴터 보정이 필요 없어 일상적이고 고속의 기계적 성질 평가에 매우 적합하다.
• 순수 알루미늄과 텅스텐 단일결정과 같이 시간에 따라 변형되는 재료에서는 실패한다. 이는 후속 인덴트 크리프로 인해 접촉 면적이 약 1.6배와 2.7배로 체계적으로 과대평가되기 때문이다.