ICS19.060 A42 中华人民共和国国家标准 GB/T31228—2014 仪 器化纳米压入试验 术语 Instrumentednanoindentationtest—Terminology 2014-09-30发布 2015-04-15实施 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局 中国国家标准化管理委员会发布目 次 前言 Ⅰ ………………………………………………………………………………………………………… 引言 Ⅱ ………………………………………………………………………………………………………… 1 范围 1 ……………………………………………………………………………………………………… 2 基础通用 1 ………………………………………………………………………………………………… 3 仪器特性 3 ………………………………………………………………………………………………… 4 力学测量 4 ………………………………………………………………………………………………… 5 参数识别 6 ………………………………………………………………………………………………… 6 试验样品 8 ………………………………………………………………………………………………… 7 测试设定 8 ………………………………………………………………………………………………… 参考文献 10 …………………………………………………………………………………………………… 索引 11 …………………………………………………………………………………………………………GB/T31228—2014 前 言 本标准按照GB/T1.1—2009给出的规则起草。 本标准由中国科学院提出。 本标准由全国纳米技术标准化技术委员会(SAC/TC279)归口。 本标准起草单位:浙江工业大学、宝山钢铁股份有限公司、中国科学院力学研究所。 本标准主要起草人:张泰华、王秀芳、文东辉、冯义辉、杨荣、彭光健。 ⅠGB/T31228—2014 引 言 仪器化纳米压入测试是近二十年来发展起来的一种微/纳米力学试验技术。该技术自诞生至今,已 广泛应用于材料学、物理学、生物学、力学等学科领域和工业生产中,正逐渐成为微/纳米力学测试技术 中重要的手段之一。 规范仪器化纳米压入测试技术中所涉及的术语及其定义,有助于增强该技术的理解和交流,促进该 技术的推广和应用,使之更好地为科研、生产和贸易服务。 ⅡGB/T31228—2014 仪器化纳米压入试验 术语 1 范围 本标准界定了仪器化纳米压入试验在基础通用、仪器特性、力学测量、参数识别、试验样品、测试设 定方面所涉及的常用术语及其定义。 本标准主要适用于仪器化纳米压入试验,也可拓宽至仪器化压入试验。 2 基础通用 2.1 仪器化压入测试 instrumentedindentationtest 驱动选定的压头压入试样,自动测量所施加的载荷和在试样中的压入深度,基于力学模型计算出材 料的硬度和力学参量的测试。 注1:仪器化压入测试主要关注动作过程,类似拉伸、压缩、弯曲、扭转等测试;而硬度计测量主要关注压入卸载后残 留压痕的尺寸,通常称之为压痕测量。 注2:国际标准ISO14577按压入载荷F和深度h,将该测试分为:宏观范围(macrorange),2N≤F≤30kN;显微 范围(microrange),F<2N,h>0.2μm;纳米范围(nanorange),h≤0.2μm。 注3:仪器的载荷量程通常不超过500mN,相应的压入深度在纳米量级至几微米,习惯称之为纳米压入测试 (nanoindentationtest)。目前,趋于采用国际标准ISO14577的命名,多称之为仪器化压入测试。 2.2 压入仪 instrumentedindentationtester 经过直接校准和间接检验合格的、能够实现仪器化压入测试的仪器。 注1:压入仪不属于传统的硬度计范畴。传统硬度计只能测量硬度,而压入仪不但可以测定硬度,还能测定弹性模 量等力学参数。 注2:压入仪属于材料试验机范畴。传统材料试验机用于试样的整体、破坏型测试,而压入仪用于试样的微区、微损 型测试。 2.3 纳米压入仪 nanoindentationtester 压入深度通常在纳米量级至几微米、载荷和位移测量的分辨力通常分别优于101nN和10-1nm量 级的压入仪。 注1:目前,该类仪器以电磁或静电驱动为主,典型量程为500mN或10mN。 2.4 压头 indenter 压入仪中用于压入试样的并具有特定几何形状和尺寸的部件。 注1:压头通常由两部分组成。前部常选用金刚石、蓝宝石、硬质合金等材料,其尖端需要精磨成规定的几何 形状和尺寸,用于压入试样;后部常选用钢质材料,加工成规定形状的基托,用于固定压头前部和连接仪 器压杆。 注2:纳米压入测试结果,受压头尖端几何形状偏离其设计形状的程度、以及确定该形状时的误差等因素的 影响。 注3:实际使用时,通常根据压头尖端的设计几何形状分类,主要包括维氏压头、玻氏压头、立方角压头、圆锥压头和 球形压头等。 1GB/T31228—2014 2.4.1 维氏压头 Vickersindenter 尖端形状为正四棱锥,其相对棱面之间夹角为136°的压头。 注:其相对棱面夹角的允许范围为136°±0.3°。 2.4.2 玻氏压头 Berkovichindenter 尖端形状为正三棱锥,其中心线与棱面之间夹角为65.03°的压头。 注1:在压入深度相同时,该类压头具有和维氏压头相同的表面积。 注2:其中心线与棱面之间夹角的允许范围为65.03°±0.3°。 2.4.3 改进型玻氏压头 modifiedBerkovichindenter 尖端形状为正三棱锥,其中心线与棱面之间夹角为65.27°的压头。 注1:在压入深度相同时,该类压头具有和维氏压头相同的投影面积。 注2:纳米压入仪通常采用此类压头。 注3:其中心线与棱面之间夹角的允许范围为65.27°±0.3°。 2.4.4 立方角压头 cube-cornerindenter 尖端形状为正三棱锥,其中心线与棱面之间夹角为35.26°的压头。 注1:三条侧棱相互垂直,形状似立方体的角。 注2:其中心线与棱面之间夹角的允许范围为35.26°±0.3°。 2.4.5 圆锥压头 conicalindenter 尖端形状为圆锥的压头。 2.4.6 球形压头 sphericalindenter 尖端形状为球冠的压头。 2.5 几何自相似压头 geometricallyself-similarindenter 尖端顶点与任意横截面所构成的几何体之间具有几何相似性的压头。 注:模型分析中,通常根据压头尖端的几何相似属性分类,包括几何自相似压头和非几何自相似压头。正棱锥形压 头和圆锥形压头属于几何自相似压头。 2.6 等效半锥角 equivalentsemiconicalangle 正棱锥形压头按高度-横截面面积等效成的圆锥形压头所对应的半锥角。 注1:在模型分析时,通常用等效半锥角所对应的圆锥形压头代替正棱锥形压头以降低分析难度。 注2:维氏压头和改进型玻氏压头的等效半锥角为70.3°,立方角压头的等效半锥角为42.3°。 2.7 压头面积函数 indenterareafunction 垂直于压头中心线的截面积(投影面积)A与压头顶点至相应截面距离h之间的函数关系。 注:圆锥压头的面积函数可表示为A(h)=Ch2,式中C为由其半锥角决定的常数。 2.7.1 标称面积函数 nominalareafunction 按照压头尖端设计形状计算得到的面积函数。 2GB/T31228—2014 2.7.2 间接校准的面积函数 indirectlycalibratedareafunction 利用在已知弹性模量的参考样品或标准样品上进行压入测试所确定的面积函数。 2.7.3 直接校准的面积函数 directlycalibratedareafunction 利用三维成像技术对压头尖端进行扫描所确定的面积函数。 注:可以利用溯源的原子力显微镜进行三维成像。 2.8 间接检验 indirectverification 使用参考样品或标准样品,间接确认压入仪工作状态是否正常的操作过程。 3 仪器特性 3.1 压入载荷范围 rangeofindentationload 仪器所能施加压入载荷的示值范围。 3.2 载荷分辨力 loadresolution 仪器能有效辨别的载荷最小示值差,为载荷最大值除以2的模拟-数字转换器位数次方。 注:该指标主要用于仪器设计,并不直接反映仪器实际的测量性能。 示例:载荷最大值为50mN,模拟-数字转换器的位数为16位,计算出的分辨力为50mN/216≈750nN。 3.3 载荷噪声水平 loadnoiselevel 仪器在载荷测量过程中自行产生的非目的信号。 注:通常由仪器的驱动载荷电噪声等因素所决定,反映载荷测量的波动范围。 3.4 接触载荷 contactforce 仪器能稳定测量到的压头接触试样的最小载荷示值。 注1:由仪器的载荷分辨力和噪声水平所决定。 注2:该值越小,确定压头与试样接触零点的误差越小。 3.5 压头位移范围 rangeofindenterdisplacement 压头沿压入方向可移动距离的示值范围。 3.6 位移分辨力 displacementresolution 仪器能有效辨别的位移最小示值差,为位移最大值除以2的模拟-数字转换器位数次方。 3.7 位移噪声水平 d