[论文解读] A method for measuring the contact area in instrumented indentation testing by tip scanning probe microscopy imaging

L. Charleux, V. Keryvin+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2013

Force Microscopy Techniques and Applications被引用 1

一句话总结

本文提出了一种新颖的尸检方法，利用扫描探针显微镜（SPM）的海拔图像测量仪器压痕测试中的接触面积，包括压痕尖端扫描探针显微镜（ITSPM）。该方法在广泛材料范围内系统性地实现了低于5%的误差水平，显著优于三种经典直接方法，且对机器和样品夹具刚度效应具有鲁棒性，无需压头校准或可调参数。

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.

研究动机与目标

• 开发一种更精确、更可靠的仪器压痕测试中接触面积测量方法。
• 解决仅依赖载荷-位移曲线的直接方法的局限性，这些方法对堆积、凹陷及机器刚度效应敏感。
• 利用压痕尖端扫描探针显微镜（ITSPM）的进展，实现系统化、自动化的残余压印成像。
• 提供一种用户无关、无需校准的方法，对表面检测误差和虚假刚度影响不敏感。

提出的方法

• 该方法利用SPM（包括ITSPM）的海拔图像重建残余压印形状，并提取投影接触面积。
• 其依赖于残余压印在压痕结束到成像期间保持不变的假设，该假设对大多数材料成立，但对时间依赖性材料（如聚合物）不成立。
• 接触面积直接从压印的三维形貌计算得出，无需任何可调参数或压头校准。
• 该方法适用于所有压头几何形状，且完全自动化，可集成至具备ITSPM功能的现代压痕系统中。
• 其不依赖压入深度（h），从而消除了因机器或样品夹具柔顺性引起的误差。
• 该方法通过有限元模拟和涵盖多种机械行为材料的实验测试得到验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于SPM的尸检方法是否能在接触面积估算中始终实现低于经典直接方法的测量误差？
• RQ2 所提出的方法在具有不同机械响应（如弹性、塑性和各向异性行为）的材料中表现如何？
• RQ3 该方法对通常影响直接方法的机器和样品夹具刚度效应的鲁棒性如何？
• RQ4 对于表现出时间依赖性变形（如蠕变或松弛）的材料，该方法是否仍保持准确性？
• RQ5 该方法是否可完全自动化并集成至配备ITSPM的现代压痕系统中？

主要发现

• 所提出的方法在所有测试材料中均实现了低于5%的接触面积测量误差，显著优于三种经典直接方法。
• 无论材料类型如何（包括金属、陶瓷和聚合物），该方法在数值和实验基准测试中均系统性地降低了误差水平。
• 与直接方法不同，该方法对机器和样品夹具刚度不敏感，而后者通常会引入压入深度和接触刚度测量误差。
• 由于该方法不依赖压入深度（h）进行面积计算，因此不受表面检测误差影响。
• 该方法完全自动化、用户无关，且无需压头校准，因此非常适用于常规和高通量的力学性能评估。
• 对于时间依赖性材料（如纯铝和单晶钨），该方法失效，因为压后蠕变导致接触面积被系统性高估约1.6倍和2.7倍。