نانوایندنتیشن

نانوایندنتیشن، که با نام آزمون فرو رفتگی ابزارمند نیز شناخته می‌شود، نوعی از آزمون‌های سختی فرو رفتگی است که برای حجم‌های بسیار کوچک از مواد به کار می‌رود. فرو رفتگی یکی از رایج‌ترین روش‌ها برای بررسی خواص مکانیکی مواد است. این تکنیک در دهه ۱۹۷۰ میلادی توسعه یافت تا سختی حجم‌های کوچک از مواد را اندازه‌گیری کند.
بندانگشتی|نمایی از نانوایندنتیشن از نزدیک

## پیش‌زمینه
در آزمون‌های سنتی فرو رفتگی (ماکرو یا میکرو)، نوک سختی با خواص مکانیکی شناخته‌شده (اغلب از جنس الماس) به داخل نمونه‌ای با خواص ناشناخته فشار داده می‌شود. با افزایش فشار، نوک فرو رونده بیشتر در نمونه نفوذ می‌کند تا به مقدار مشخص‌شده توسط کاربر برسد. در این مرحله، فشار ممکن است برای مدتی ثابت نگه داشته شود یا برداشته شود.

پس از آن، سطح باقی‌مانده‌ی فرو رفتگی اندازه‌گیری می‌شود و سختی به صورت نسبت بیشینه‌ی فشار  به سطح باقی‌مانده‌ی فرورفتگی  تعریف می‌شود:

در بیشتر روش‌ها، سطح فرو رفتگی با استفاده از میکروسکوپ نوری به‌طور مستقیم اندازه‌گیری می‌شود. همان‌طور که از این رابطه مشخص است، یک فشار مشخص در ماده‌ی "سخت" فرو رفتگی کوچکتری نسبت به ماده‌ی "نرم" ایجاد می‌کند.
بندانگشتی|«نمای شماتیک منحنی بار–جابجایی برای یک آزمون نانوفرورفتگی ابزارمند»

## محدودیت‌ها و مزایای نانوایندنتیشن
روش‌های سنتی به دلیل تنوع زیاد در شکل نوک ابزار و دقت پایین در تعیین محل فرو رفتگی، محدود هستند. همچنین مقایسه‌ی نتایج بین آزمایشگاه‌های مختلف دشوار و اغلب بی‌معناست.

نانوایندنتیشن این مشکلات را با استفاده از نوک‌های دقیق در مقیاس نانو، دقت بالا در تعیین محل فرو رفتگی، و ثبت داده‌های لحظه‌ای از فشار و جابجایی در حین آزمایش، برطرف می‌کند.

## سختی (Hardness)
سختی با استفاده از معادله‌ای که در بالا آمده است تعیین می‌شود؛ این معادله بار بیشینه را به سطح فرورفتگی مرتبط می‌سازد. سطح فرورفتگی را می‌توان پس از انجام آزمایش با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی در محل (in-situ) یا با میکروسکوپ نوری (یا الکترونی) پس از انجام آزمایش اندازه‌گیری کرد. تصویر نمونه‌ای از فرورفتگی که از آن می‌توان سطح را تعیین کرد، در سمت راست نشان داده شده است.

برخی از نانوفرورونده‌ها (nanoindenters) از تابع سطحی استفاده می‌کنند که بر اساس هندسه نوک ابزار طراحی شده و اثر بار الاستیک را در طول آزمایش جبران می‌کند. استفاده از این تابع سطحی امکان محاسبه سختی نانویی در زمان واقعی را از نمودار بار-جابجایی فراهم می‌سازد. با این حال، در مورد استفاده از این توابع برای تخمین سطح باقی‌مانده در مقابل اندازه‌گیری مستقیم، اختلاف‌نظرهایی وجود دارد.

تابع سطحی  معمولاً سطح پیش‌بینی‌شده فرورفتگی را به صورت یک تابع چندجمله‌ای درجه دوم از عمق فرورونده  توصیف می‌کند. اگر تعداد زیادی ضریب در تابع استفاده شود، ممکن است تابع به نویز داده‌ها حساس شود و نقاط عطفی در منحنی ظاهر گردد. اگر منحنی با تنها دو ضریب به خوبی برازش شود، این بهترین حالت است. با این حال، اگر داده‌های زیادی در دسترس باشد، گاهی نیاز است از هر ۶ ضریب استفاده شود تا تابع سطحی مناسبی حاصل شود. معمولاً استفاده از ۳ یا ۴ ضریب عملکرد خوبی دارد.

استفاده انحصاری از تابع سطحی بدون داشتن دانش کافی از پاسخ ماده می‌تواند منجر به تفسیر نادرست داده‌های حاصل شود. بنابراین، بررسی متقابل سطح‌ها با استفاده از میکروسکوپ توصیه می‌شود.
بندانگشتی|تصویر میکروسکوپ نیروی اتمی از یک فرورفتگی ایجادشده توسط نوک برکوویچ در یک شیشه فلزی Zr-Cu-Al؛ جریان پلاستیک ماده در اطراف فرورونده به‌وضوح قابل مشاهده است.

## نانوفرورفتگی: روشی قدرتمند برای تعیین خواص مکانیکی
نانوفرورفتگی یک تکنیک قدرتمند برای تعیین خواص مکانیکی مواد است. با ترکیب اعمال بارهای کم، اندازه‌گیری جابجایی حاصل، و تعیین سطح تماس بین نوک فرورونده و نمونه، می‌توان طیف وسیعی از خواص مکانیکی را اندازه‌گیری کرد.

کاربردی که موجب توسعه این تکنیک شد، آزمایش خواص لایه‌های نازک بود؛ جایی که روش‌های سنتی آزمایش مکانیکی قابل اجرا نیستند. روش‌های معمول مانند آزمون کشش یا تحلیل مکانیکی دینامیکی (DMA) تنها می‌توانند میانگین خواص ماده را ارائه دهند، بدون آن‌که اطلاعاتی درباره تغییرات خواص در نقاط مختلف نمونه بدهند. اما نانوفرورفتگی این امکان را فراهم می‌کند که خواص موضعی مواد همگن و ناهمگن به‌طور دقیق بررسی شوند.

کاهش نیاز به اندازه بزرگ نمونه باعث شده این تکنیک در محصولاتی که در حالت تولیدشده‌شان ماده کافی برای آزمون سختی‌سنجی میکرو ندارند، به‌طور گسترده‌ای مورد استفاده قرار گیرد. از جمله کاربردهای این حوزه می‌توان به ایمپلنت‌های پزشکی، کالاهای مصرفی، و بسته‌بندی اشاره کرد.

کاربردهای جایگزین این تکنیک شامل آزمایش دستگاه‌های میکروالکترومکانیکی (MEMs) است؛ جایی که توانایی اعمال بارهای کم و جابجایی‌های بسیار کوچک توسط نانوفرورونده، مزیت بزرگی محسوب می‌شود.

## اثرات مقیاس
عمق فرورفتگی‌ها در آزمون نانوفرورفتگی می‌تواند از چند نانومتر تا حدود یک میکرون متغیر باشد. در این بازه، **اثرات مقیاس** قابل‌توجهی مشاهده می‌شود؛ به این معنا که خواص مکانیکی به‌دست‌آمده وابسته به عمق فرورفتگی هستند. چندین مرور پژوهشی این پدیده را بررسی کرده‌اند. معمولاً این اثر به‌صورت افزایش ظاهری سختی ماده در عمق‌های کمتر دیده می‌شود.
بندانگشتی|نمایی دیگر از این فرایند
به‌عنوان مثال، سختی طلای خالص در عمق ۵ نانومتر حدود **۲ گیگا[[پاسکال (یکا)|پاسکال]]** گزارش شده، در حالی که در عمق ۱۰۰ نانومتر این مقدار به حدود **۰٫۵ گیگاپاسکال** کاهش می‌یابد. مقدار «واقعی» سختی طلا در مقیاس بزرگ حدود **۰٫۱ گیگاپاسکال** است.

تحقیقات زیادی برای یافتن علت این پدیده انجام شده است. برخی توضیحات پیشنهادی عبارتند از:

* نیاز به ایجاد گرادیان‌های بسیار زیاد کرنش پلاستیک در فرورفتگی‌های کوچک، که مستلزم وجود **ناهنجاری‌های جابجایی ضروری از نظر هندسی** (Geometrically Necessary Dislocations) است.
* احتمال نبود جابجایی‌ها (Dislocations) در ناحیه تغییر شکل، که در این صورت برای شروع تغییر شکل پلاستیک باید جابجایی‌ها هسته‌زایی شوند و این امر نیازمند تنش‌های بالاتر است. این پدیده می‌تواند باعث ایجاد ویژگی «پرش ناگهانی» (Pop-in) در نمودار بار-جابجایی شود.

با این حال، هیچ روش اصلاحی سیستماتیک و جهانی برای حذف این اثرات مقیاس وجود ندارد و معمولاً با نانوفرورونده‌ها نمی‌توان حجمی را تغییر شکل داد که به اندازه کافی نماینده ماده توده‌ای باشد.

برای نمونه‌های چندبلوری، این حجم باید شامل تعداد زیادی دانه (Grain) باشد تا اثرات اندازه دانه، بافت (Texture)، و ساختار مرز دانه‌ها را پوشش دهد. در عمل، این امر معمولاً نیازمند ابعاد ناحیه تغییر شکل در حد صدها میکرون است.

همچنین باید توجه داشت که مقیاس بسیار کوچک نانوفرورفتگی می‌تواند نتایج را به **زبری سطح** و وجود **لایه‌های اکسیدی یا آلودگی‌های سطحی** حساس کند.

## جستارهای وابسته

* مواد
* علم مواد
* کرنش
* تنش فشاری
* شیمی
* دانشگاه تهران

## منابع

رده:آزمایش‌های سختی