JP6755475B2 - Indenter transmission type specimen surface observation device, observation method and program for moving image analysis, device control, and characteristic value calculation - Google Patents
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Description
本発明は、インデンテーション試験の負荷除荷過程において、試験体の表面を観察する装置及び観察する方法並びに動画像解析・装置制御・特性値演算用プログラムに関する。 The present invention relates to an apparatus and a method for observing the surface of a test piece in a load unloading process of an indentation test, and a program for moving image analysis, apparatus control, and characteristic value calculation.
インデンテーション試験は、圧子と呼ばれる治具を試験体の表面に押し付け、その負荷荷重に誘起される弾塑性応力・ひずみを利用し、材料の変形特性又は/及び破壊特性を評価する試験技術である。 The indentation test is a test technique that evaluates the deformation characteristics and / and fracture characteristics of a material by pressing a jig called an indenter against the surface of the test piece and using the elasto-plastic stress / strain induced by the load. ..
例えば、圧子を試験体の表面に押し付け、圧子直下に発生する応力が弾性限界を超えると、試験体に塑性変形が誘起され、除荷後に圧痕として表面から観察される。試験体の硬さはこの圧痕の大きさを計測して評価する。 For example, when the indenter is pressed against the surface of the test piece and the stress generated immediately below the indenter exceeds the elastic limit, plastic deformation is induced in the test piece, and the test piece is observed as an indentation after unloading. The hardness of the test piece is evaluated by measuring the size of this indentation.
さらに、その試験体の塑性変形は、材料の結晶構造で決まるすべり系の数に支配されるため、試験体の降伏応力は硬さから評価できる。 Further, since the plastic deformation of the test piece is governed by the number of slip systems determined by the crystal structure of the material, the yield stress of the test piece can be evaluated from the hardness.
また、別の例では、試験体の脆性特性が変形を支配する場合、圧子直下に発生する引張応力によってメジアンクラックが発生する。メジアンクラックは除荷時に表面にまで成長し、メジアン・ラジアルクラックを形成する。後述するビッカース型の四角錐圧子を用いた場合には、メジアン・ラジアルクラックは表面から観察すると十字形となる。表面から観察される十字形のメジアン・ラジアルクラックの一辺の先端から他端までの長さを利用して試験体の破壊靭性値が評価できる。 In another example, when the brittleness of the test piece dominates the deformation, median cracks occur due to the tensile stress generated immediately below the indenter. The median crack grows to the surface at the time of unloading and forms a median radial crack. When a Vickers type quadrangular pyramid indenter, which will be described later, is used, the median radial crack becomes a cruciform when observed from the surface. The fracture toughness value of the test piece can be evaluated by using the length from the tip to the other end of one side of the cruciform median radial crack observed from the surface.
従来のインデンテーション試験は、試験体に圧子を押し込むことにより負荷応力を与える過程と、試験体が変形又は/及びクラックが発生した様子の観察とが別々に行われる試験である。したがって、インデンテーション試験は変形特性又は/及び破壊特性を間接的に評価する手法である。 The conventional indentation test is a test in which the process of applying load stress by pushing an indenter into the test piece and the observation of the state in which the test piece is deformed or / or cracked are performed separately. Therefore, the indentation test is a method for indirectly evaluating the deformation characteristics and / and the fracture characteristics.
一方、試験体の表面に荷重を負荷している状態にある圧痕の投影接触面積を光学的に計測できる顕微インデンテーション試験がある。顕微インデンテーション試験は、試験体の変形特性をその場で直接的に評価する手法である(例えば、非特許文献1、非特許文献2、非特許文献3、特許文献1、特許文献2、及び、特許文献3)。 On the other hand, there is a microindentation test that can optically measure the projected contact area of an indentation in a state where a load is applied to the surface of the test piece. The microindentation test is a method for directly evaluating the deformation characteristics of a test piece on the spot (for example, Non-Patent Document 1, Non-Patent Document 2, Non-Patent Document 3, Patent Document 1, Patent Document 2, and , Patent Document 3).
しかしながら、顕微インデンテーション試験では、圧子を構成する材質が持つ屈折率と圧子周囲にある空気の屈折率とが異なるため、圧子と空気との界面で屈折が生じることにより観察像に歪みが発生し、接触面の外側の表面に現れる変形特性又は/及び破壊特性を圧子に光を透過させる光学的手法で精度良く観察することが難しい場合があった。 However, in the microindentation test, the refractive index of the material that makes up the indenter is different from the refractive index of the air around the indenter, so refraction occurs at the interface between the indenter and air, causing distortion in the observed image. In some cases, it may be difficult to accurately observe the deformation and / or fracture characteristics that appear on the outer surface of the contact surface by an optical method that allows light to pass through the indenter.
本発明は、このような従来技術の実情を鑑みてなされたもので、圧子と空気との界面での屈折の発生を抑制し、試験体の表面を観察する技術を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the actual situation of such a prior art, and an object of the present invention is to provide a technique for observing the surface of a test piece by suppressing the occurrence of refraction at the interface between an indenter and air. ..
上記課題を解決するために、本発明は以下の観察装置及び観察方法並びに動画像解析・装置制御・特性値演算用プログラムを提供する。 In order to solve the above problems, the present invention provides the following observation device and observation method, as well as a program for moving image analysis, device control, and characteristic value calculation.
[1]特定波長の光を透過する透明圧子を用いて試験体の表面に荷重を加えた際の前記表面を観察する観察装置であって、
前記試験体に荷重を加える加圧手段と、
前記荷重を計測する荷重計測手段と、
前記加圧手段で荷重を加えている前記試験体の表面を撮像する撮像手段と、を有し、
前記撮像手段は、前記透明圧子を透して試験体を撮像し、
前記観察は、
(1)表面の形状、双晶若しくは転位又は/及び亀裂の観察、
(2)形状記憶合金の機構解明のための観察、
(3)合金開発でのスクリーニングのための観察、
(4)応力誘起変態機構解明のための観察、
(5)表面脆性相の破壊と剥離の観察、
(6)ボールオンディスクスクラッチを模した摩耗特性を把握するための観察、及び
(7)ボールオンディスクスクラッチを模した薄膜密着性評価のための観察
からなる群より選ばれる少なくとも一種であり、
前記透明圧子と、前記試験体の表面の隙間には液体が存在しており、
前記透明圧子及び前記液体の屈折率は、所定の波長の光を用いて25±5℃で測定したときに略等しいことを特徴とする観察装置。
[1] An observation device for observing the surface of a test piece when a load is applied to the surface of the test piece using a transparent indenter that transmits light of a specific wavelength.
A pressurizing means for applying a load to the test piece and
A load measuring means for measuring the load and
It has an imaging means for imaging the surface of the test body to which a load is applied by the pressurizing means.
The imaging means photographs the test piece through the transparent indenter.
The observation is
(1) Observation of surface shape, twins or dislocations and / and cracks,
(2) Observation to elucidate the mechanism of shape memory alloy,
(3) Observation for screening in alloy development,
(4) Observation to elucidate the stress-induced transformation mechanism,
(5) Observation of fracture and exfoliation of the surface brittle phase,
It is at least one selected from the group consisting of (6) observations for grasping wear characteristics imitating ball-on-disc scratches and (7) observations for evaluating thin film adhesion imitating ball-on-disc scratches.
A liquid is present in the gap between the transparent indenter and the surface of the test piece.
An observation device characterized in that the refractive indexes of the transparent indenter and the liquid are substantially equal when measured at 25 ± 5 ° C. using light having a predetermined wavelength.
[2]前記透明圧子の屈折率と、前記液体の屈折率との屈折率の比の値が、所定の波長の光を用いて25±5℃で測定したときに、1.0:1.0±0.2であることを特徴とする[1]に記載の観察装置。
[3]更に、光学的特性観察手段を備えることを特徴とする[1]又は[2]に記載の観察装置。
[4]更に、前記観察結果に基づいて前記試験体の状態を計測する計測手段を備えることを特徴とする[1]〜[3]のいずれかに記載の観察装置。
[5]前記計測手段は、前記表面の形状が、前記試験体表面が沈み込む形状又は盛り上がる形状である前記試験体の状態を計測することを特徴とする[4]に記載の観察装置。
[6]前記計測手段は、前記双晶若しくは転位又は/及び亀裂の、
位置及び方位を計測することを特徴とする[4]に記載の観察装置。
[7]前記計測手段は、前記透明圧子を用いて試験体の表面に荷重を加えた際の、透明圧子の圧入深さ及び/又は透明圧子と試料表面との接触面積を計測することを特徴とする[4]に記載の観察装置。
[2] When the value of the ratio of the refractive index of the transparent indenter to the refractive index of the liquid is measured at 25 ± 5 ° C. using light of a predetermined wavelength, 1.0: 1. The observation device according to [1], wherein the observation device is 0 ± 0.2.
[3] The observation device according to [1] or [2], further comprising an optical characteristic observation means.
[4] The observation device according to any one of [1] to [3], further comprising a measuring means for measuring the state of the test piece based on the observation result.
[5] The observation device according to [4], wherein the measuring means measures a state of the test body in which the surface shape of the test body is a shape in which the surface of the test body is subducted or raised.
[6] The measuring means is of the twin or dislocation and / and crack.
The observation device according to [4], which measures a position and an orientation.
[7] The measuring means is characterized by measuring the press-fitting depth of the transparent indenter and / or the contact area between the transparent indenter and the sample surface when a load is applied to the surface of the test piece using the transparent indenter. The observation device according to [4].
[8]特定波長の光を透過する透明圧子を用いて試験体の表面に荷重を加えた際の前記表面を観察する観察方法であって、
前記試験体に荷重を加える加圧手段と、
前記荷重を計測する荷重計測手段と、
前記加圧手段で荷重を加えている前記試験体の表面を撮像する撮像手段と、を用いて、
前記透明圧子と、前記試験体の表面の隙間に液体を存在させ、
前記透明圧子及び前記液体の屈折率は、所定の波長の光を用いて25±5℃で測定したときに略等しいものであり、
前記撮像手段により、前記透明圧子を透して試験体を撮像し、
(1)表面の形状、双晶若しくは転位又は/及び亀裂の観察、
(2)形状記憶合金の機構解明のための観察、
(3)合金開発でのスクリーニングのための観察、
(4)応力誘起変態機構解明のための観察、
(5)表面脆性相の破壊と剥離の観察、
(6)ボールオンディスクスクラッチを模した摩耗特性を把握するための観察、及び
(7)ボールオンディスクスクラッチを模した薄膜密着性評価のための観察
からなる群より選ばれる少なくとも一種を観察することを特徴とする観察方法。
[8] An observation method for observing the surface of a test piece when a load is applied to the surface of the test piece using a transparent indenter that transmits light of a specific wavelength.
A pressurizing means for applying a load to the test piece and
A load measuring means for measuring the load and
Using the imaging means for imaging the surface of the test body to which the load is applied by the pressurizing means,
A liquid is allowed to exist in the gap between the transparent indenter and the surface of the test piece.
The refractive indexes of the transparent indenter and the liquid are substantially equal when measured at 25 ± 5 ° C. using light of a predetermined wavelength.
The test piece is imaged through the transparent indenter by the imaging means.
(1) Observation of surface shape, twins or dislocations and / and cracks,
(2) Observation to elucidate the mechanism of shape memory alloy,
(3) Observation for screening in alloy development,
(4) Observation to elucidate the stress-induced transformation mechanism,
(5) Observation of fracture and exfoliation of the surface brittle phase,
Observe at least one selected from the group consisting of (6) observations for grasping wear characteristics imitating ball-on-disc scratches and (7) observations for evaluating thin film adhesion imitating ball-on-disc scratches. An observation method characterized by.
[9]前記透明圧子の屈折率と、前記液体の屈折率との屈折率の比の値が、所定の波長の光を用いて25±5℃で測定したときに、1.0:1.0±0.2であることを特徴とする[1]に記載の観察方法。
[10]更に、光学的特性観察手段を用いて、前記試験体の光学的特性を観察することを特徴とする[8]又は[9]に記載の観察方法。
[11]更に、前記観察結果に基づいて前記試験体の状態を計測する計測手段を用いて、前記試験体の状態を計測することを特徴とする[8]〜[10]のいずれかに記載の観察方法。
[12]前記計測手段により、前記表面の形状が、前記試験体表面が沈み込む形状又は盛り上がる形状である前記試験体の状態を計測することを特徴とする[11]に記載の観察方法。
[13]前記計測手段により、前記双晶若しくは転位又は/及び亀裂の、
位置及び方位を計測することを特徴とする[11]に記載の観察方法。
[14]前記計測手段により、前記透明圧子を用いて試験体の表面に荷重を加えた際の、透明圧子の圧入深さ及び/又は透明圧子と試料表面との接触面積を計測することを特徴とする[11]に記載の観察方法。
[15][1]に記載の観察装置で用いられるプログラムであって、
コンピュータに、
前記撮像手段による前記試験体の表面を撮像するステップと、
撮像した前記試験体の表面の画像に基づき、前記画像解析部による、[5]に記載の前記試験体表面が沈み込む形状又は盛り上がる形状である前記試験体の状態、又は/及び、[6]に記載の前記双晶若しくは転位又は/及び亀裂の位置及び方位、又は/及び、[7]に記載の前記透明圧子と試料表面との接触面積を動画像解析するステップを実行させる動画像解析プログラム。
[16][1]の観察装置で用いられるプログラムであって、
コンピュータに、
ユーザーが入力した各種試験条件を受付けさせるステップと、
受付けた各種試験条件に基づいて精密位置決め装置を駆動させるステップと、
前記精密位置決め手段の駆動を介して、前記加圧手段による、前記透明圧子を用いて前記試験体の表面に加える荷重を制御させるステップを実行させる装置制御プログラム。
[17][1]の観察装置で用いられるプログラムであって、
コンピュータに、
前記撮像手段による前記試験体の表面を撮像するステップと、
撮像した前記試験体の表面の画像に基づき、前記観察装置による、[5]に記載の前記試験体の状態を計測した値と、[6]に記載の前記双晶若しくは転位又は/及び亀裂の位置及び方位と、[7]に記載の前記透明圧子の圧入深さ及び/又は透明圧子と試料表面との接触面積とから前記試験体の特性値を演算するステップを実行させる特性値演算プログラム。
[9] When the value of the ratio of the refractive index of the transparent indenter to the refractive index of the liquid is measured at 25 ± 5 ° C. using light of a predetermined wavelength, 1.0: 1. The observation method according to [1], wherein the observation method is 0 ± 0.2.
[10] The observation method according to [8] or [9], further comprising observing the optical characteristics of the test piece using an optical characteristic observing means.
[11] Further, according to any one of [8] to [10], the state of the test body is measured by using a measuring means for measuring the state of the test body based on the observation result. Observation method.
[12] The observation method according to [11], wherein the measuring means measures the state of the test body in which the surface shape of the test body is a shape in which the surface of the test body is subducted or raised.
[13] By the measuring means, the twins or dislocations and / and the cracks
The observation method according to [11], wherein the position and orientation are measured.
[14] The measuring means is used to measure the press-fitting depth of the transparent indenter and / or the contact area between the transparent indenter and the sample surface when a load is applied to the surface of the test piece using the transparent indenter. The observation method according to [11].
[15] A program used in the observation device according to [1].
On the computer
A step of imaging the surface of the test body by the imaging means,
Based on the image of the surface of the test body taken, the state of the test body, which is the shape in which the surface of the test body is subducted or raised according to [5], and / and [6] by the image analysis unit. A moving image analysis program for executing a step of moving image analysis of the position and orientation of the twin or dislocation or / and the crack according to the above, and / and the contact area between the transparent indenter and the sample surface according to [7]. ..
[16] A program used in the observation device of [1].
On the computer
Steps to accept various test conditions entered by the user,
Steps to drive the precision positioning device based on the various test conditions received,
A device control program for executing a step of controlling a load applied to the surface of the test piece by the pressurizing means by using the transparent indenter through the driving of the precision positioning means.
[17] A program used in the observation device of [1].
On the computer
A step of imaging the surface of the test body by the imaging means,
Based on the image of the surface of the test piece taken, the value measured by the observation device for the state of the test piece according to [5] and the twin crystal or dislocation or / and crack described in [6]. A characteristic value calculation program for executing a step of calculating the characteristic value of the test piece from the position and orientation, the press-fitting depth of the transparent indenter according to [7], and / or the contact area between the transparent indenter and the sample surface.
このように、本発明によれば、圧子と空気との界面での屈折を制御できるため、顕微インデンテーション試験で荷重が発生している状態において、圧子に光を透過させる光学的手法で、接触面の外側の表面に現れる変形特性又は/及び破壊特性を鮮明かつ詳細に観察又は/及び計測することが可能になる。 As described above, according to the present invention, since the refraction at the interface between the indenter and the air can be controlled, contact is performed by an optical method of transmitting light through the indenter in a state where a load is generated in the microindentation test. It is possible to observe and / and measure the deformation property and / and the fracture property appearing on the outer surface of the surface clearly and in detail.
以下、本発明の実施の形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
図1は、本発明の一実施形態に係る観察装置を備えた、インデンテーション試験を行う計測装置(以下、単に計測装置とも称する)の基本構成の一例を説明するブロック図である。 FIG. 1 is a block diagram illustrating an example of a basic configuration of a measuring device for performing an indentation test (hereinafter, also simply referred to as a measuring device) provided with an observation device according to an embodiment of the present invention.
このインデンテーション試験を行う計測装置は、試験体5の表面に透明圧子4(以下、圧子4とも称する)を接触させ試験体5の各種機械的特性を計測する顕微インデンテーション試験機1と、計測制御装置2と、情報処理装置(コンピュータ)6で構成される。 The measuring device that performs this indentation test is a microindentation tester 1 that measures various mechanical characteristics of the test piece 5 by bringing a transparent indenter 4 (hereinafter, also referred to as an indenter 4) into contact with the surface of the test piece 5. It is composed of a control device 2 and an information processing device (computer) 6.
計測制御装置2は、試験片5の表面に透明圧子4を接触させる様子を画像として記録するビデオカメラ(カメラ)7(撮像手段)と、透明圧子4と試験体5の表面との距離を調整し接触させる精密位置決め装置8(加圧手段)と、透明圧子4と試験体5との接触で発生する荷重を計測する荷重計測装置9(荷重計測手段)と、により構成される。なお、図示していないが、ビデオカメラ(カメラ)7で観察するには別途光源が必要である。一般的な光学顕微鏡の場合は可視光域の白色光が用いられ、レーザー顕微鏡の場合は通常、近紫外(約300nm)から赤外(約10ミクロン)の波長帯のレーザーの単色光ビームが用いられる。以下、632.8nmの波長をもって本発明では光源の所定の光と称することがある。また、金属等の偏光観察を同時に行う場合には白色光を用いることもある。ここで、波長が短い場合は分解能が高く微細な組織が観察でき、長い波長であれば全体が観察できる特徴がある。 The measurement control device 2 adjusts the distance between the video camera (camera) 7 (imaging means) that records the contact of the transparent indenter 4 with the surface of the test piece 5 as an image, and the surface of the transparent indenter 4 and the test body 5. It is composed of a precision positioning device 8 (pressurizing means) for making contact with each other and a load measuring device 9 (load measuring means) for measuring the load generated by the contact between the transparent indenter 4 and the test body 5. Although not shown, a separate light source is required for observation with the video camera (camera) 7. In the case of a general optical microscope, white light in the visible light region is used, and in the case of a laser microscope, a monochromatic light beam of a laser in the wavelength band from near ultraviolet (about 300 nm) to infrared (about 10 microns) is usually used. Be done. Hereinafter, the wavelength of 632.8 nm may be referred to as a predetermined light of a light source in the present invention. In addition, white light may be used when observing polarized light of a metal or the like at the same time. Here, when the wavelength is short, the resolution is high and a fine structure can be observed, and when the wavelength is long, the whole can be observed.
情報処理装置6はコンピュータ(電子計算機)であり、入出力I/F(Interface)10、CPU(Central Processing Unit)12、条件設定部13、特性値演算部14、画像解析部11、及び、記憶装置15により構成される。情報処理装置6の有する各要素は、バス(Bus)によって接続されている。 The information processing device 6 is a computer (electronic computer), and is an input / output I / F (Interface) 10, a CPU (Central Processing Unit) 12, a condition setting unit 13, a characteristic value calculation unit 14, an image analysis unit 11, and a storage. It is composed of a device 15. Each element of the information processing apparatus 6 is connected by a bus.
情報処理装置6の画像解析部11で使用される動画像解析プログラムは、記憶装置15に格納されており、条件設定部13を通して、画像解析法の選択、ロイ(画像解析領域)、パラメータ(各種解析条件など)を設定するように入出力I/F10を通してユーザーに入力を促し、さらに、コンピュータのメモリなどの主記憶装置上に展開されて実行を行う。 The moving image analysis program used in the image analysis unit 11 of the information processing device 6 is stored in the storage device 15, and through the condition setting unit 13, selection of an image analysis method, Roy (image analysis area), and parameters (various types). The user is prompted to input through the input / output I / F10 so as to set (analysis conditions, etc.), and further, it is expanded on a main storage device such as a computer memory and executed.
情報処理装置6の装置制御部で使用される装置制御プログラムは、記憶装置15に格納されており、条件設定部13を通して、各種試験条件(最大負荷荷重値、試験時間など)を設定するように入出力I/F10を通してユーザーに入力を促し、さらに、コンピュータのメモリなどの主記憶装置上に展開されて実行を行う。 The device control program used in the device control unit of the information processing device 6 is stored in the storage device 15, and various test conditions (maximum load load value, test time, etc.) are set through the condition setting unit 13. It prompts the user for input through the input / output I / F10, and is further expanded on a main storage device such as a computer memory for execution.
情報処理装置6の特性値演算部14で使用される特性値演算プログラムは、記憶装置15に格納されており、画像解析部11が解析した接触面積と、荷重計測装置9が計測した荷重値と、から各種機械的特性(応力−歪み曲線、マイヤー硬さ、ヤング率、降伏値など)を演算する。また、試験体表面をスキャンした表面プロファイルから沈み込み又は盛り上がりを数値化した表面変形パラメータγを演算する。あるいは、画像解析部11が認識した双晶(転位)、応力誘起変態相、亀裂、破壊、剥離、摩耗などの位置、寸法、方位などを自動演算する。さらに、圧子押し込み深さ又は/及び接触面積と負荷荷重との関係をプロットする。 The characteristic value calculation program used by the characteristic value calculation unit 14 of the information processing device 6 is stored in the storage device 15, and includes the contact area analyzed by the image analysis unit 11 and the load value measured by the load measurement device 9. Calculate various mechanical properties (stress-strain curve, Meyer hardness, Young's modulus, yield value, etc.) from. In addition, the surface deformation parameter γ, which is a numerical value of subduction or swelling, is calculated from the surface profile obtained by scanning the surface of the test piece. Alternatively, the positions, dimensions, orientations, etc. of twins (dislocations), stress-induced transformation phases, cracks, fractures, peelings, wear, etc. recognized by the image analysis unit 11 are automatically calculated. In addition, the indenter indentation depth and / and the relationship between the contact area and the load are plotted.
本実施形態の観察装置は、顕微インデンテーション試験機1、計測制御装置2、情報処理装置6から構成されている。更に本実施形態の観察装置は、試験体5の観察結果に基づいて試験体5の状態を計測する計測手段として、計測制御装置2、情報処理装置6を含む構成を備えており、全体としてインデンテーション試験を行う計測装置を構成している。 The observation device of the present embodiment includes a microscopic indentation tester 1, a measurement control device 2, and an information processing device 6. Further, the observation device of the present embodiment has a configuration including a measurement control device 2 and an information processing device 6 as measuring means for measuring the state of the test body 5 based on the observation result of the test body 5, and is inden as a whole. It constitutes a measuring device that performs a tension test.
図2は、本発明の一実施形態に係る観察装置を備えた計測装置における顕微インデンテーション試験機1の機能構成の一例である。 FIG. 2 is an example of the functional configuration of the microindentation tester 1 in the measuring device provided with the observation device according to the embodiment of the present invention.
試験片5の表面と透明圧子4の先端との接触は位置決め装置8が行う。その接触で発生する負荷荷重は荷重計測装置9により計測する。 The positioning device 8 makes contact between the surface of the test piece 5 and the tip of the transparent indenter 4. The load generated by the contact is measured by the load measuring device 9.
さらに、透明圧子4は透明な圧子保持板19に固定されているため、試験体5が負荷されるインデンテーション試験の全過程において、試験片5の表面の様子は試験機フレーム18の外部から観察できる。試験体5に荷重が負荷されることにより生じる各種の力学的現象は、対物レンズ17を備えた顕微鏡3(光学的特性観察手段)により光学的に拡大され、顕微鏡3に取り付けられたビデオカメラ(カメラ)7により撮像することができる。これを実現するため、顕微鏡3の光軸は透明圧子4と接触部とを結ぶ光軸に一致するように配置されている。 Further, since the transparent indenter 4 is fixed to the transparent indenter holding plate 19, the state of the surface of the test piece 5 is observed from the outside of the testing machine frame 18 in the entire process of the indentation test in which the test piece 5 is loaded. it can. Various mechanical phenomena caused by the load applied to the test body 5 are optically magnified by the microscope 3 (optical property observing means) provided with the objective lens 17, and the video camera attached to the microscope 3 ( The image can be taken by the camera) 7. In order to realize this, the optical axis of the microscope 3 is arranged so as to coincide with the optical axis connecting the transparent indenter 4 and the contact portion.
屈折率調整液(接触液)20は、試験体5の特性に合わせて適宜選択された透明圧子4の持つ屈折率と略等しく選択され、試験体5と透明圧子4との隙間に挿入される。 The refractive index adjusting liquid (contact liquid) 20 is selected substantially equal to the refractive index of the transparent indenter 4 appropriately selected according to the characteristics of the test body 5, and is inserted into the gap between the test body 5 and the transparent indenter 4. ..
ビデオカメラ7により撮像された撮像画像は、試験経過時間と関連付けられた力学現象として記録装置15に書き込まれる。また、この撮像画像は、情報処理装置6の画像解析部11に転送し、動画像解析プログラムにより数値化することができる。 The captured image captured by the video camera 7 is written in the recording device 15 as a mechanical phenomenon associated with the elapsed test time. Further, this captured image can be transferred to the image analysis unit 11 of the information processing apparatus 6 and digitized by a moving image analysis program.
図3は、本発明の一実施形態に係る圧子と試験体表面との接触の状況を説明した図であり、ここでは、例として圧子の先端曲率半径がマイクロメーターオーダー以下の円錐形状で面傾斜角がβである鋭角圧子(図3(A))と、圧子の先端が球面である球面圧子(図3(B))と、が描かれている。 FIG. 3 is a diagram for explaining the state of contact between the indenter and the surface of the test piece according to the embodiment of the present invention. Here, as an example, the tip radius of curvature of the indenter is conical with a micrometer order or less, and the surface is inclined. An acute-angled indenter having an angle of β (FIG. 3 (A)) and a spherical indenter having a spherical tip (FIG. 3 (B)) are drawn.
鋭角圧子は、先端が一つの突起を持つ形状、かつ、試験体の表面と圧子面との成す角が一つの面傾斜角βで表現できる圧子であり、例えば、三角錐、四角錐、及び、円錐である。主に金属やセラミックスの硬さを計測する目的で広く用いられているビッカース圧子(面傾斜角β=22.0度)やバーカビッチ圧子(面傾斜角β=24.97度、あるいは、24.73度)は鋭角圧子である。また、稜間隔が90.0度である三角錐圧子、及び、対面角が90.0度であるピラミッド圧子は鋭角圧子である。 The acute-angled indenter is an indenter having a shape with one protrusion at the tip and the angle formed by the surface of the test piece and the indenter surface can be expressed by one surface inclination angle β. For example, a triangular pyramid, a quadrangular pyramid, and an indenter. It is a cone. Vickers indenter (plane inclination angle β = 22.0 degrees) and Barkavic indenter (plane inclination angle β = 24.97 degrees, or 24.73 degrees), which are widely used mainly for the purpose of measuring the hardness of metals and ceramics. Degree) is an acute angle indenter. Further, the triangular pyramid indenter having a ridge spacing of 90.0 degrees and the pyramid indenter having a facing angle of 90.0 degrees are acute angle indenters.
一方、球面圧子は、圧子の先端が球面であり、その表面が一定値の径(半径r、直径D)で表現できる面を持つ。主に金属の硬さを計測する目的で広く用いられているブリネル圧子(直径D=1、2.5、5、10mm)、及び、ロックウェル圧子(先端曲率半径r=200ミクロン)は球面圧子である。 On the other hand, the spherical indenter has a spherical surface at the tip of the indenter, and the surface thereof has a surface that can be represented by a constant diameter (radius r, diameter D). The Brinell indenter (diameter D = 1, 2.5, 5, 10 mm) and the Rockwell indenter (tip radius of curvature r = 200 microns), which are widely used mainly for the purpose of measuring the hardness of metal, are spherical indenters. Is.
顕微インデンテーション試験機1において、圧子と試験体の接触の状況は光学顕微鏡に結合されたビデオカメラ(カメラ)を用い、圧子に光を透過させる方式で観察させるため、圧子の特性としては透光性を有する必要があり、好適な材質としてダイヤモンド、サファイア、ガラス等がある。本発明で用いる圧子は透明な圧子である。波長589.3nmの光に対し、圧子を構成する材質の屈折率niは、ダイヤモンドが2.420、サファイアが1.768、石英ガラスが1.456、光学ガラス(BK7)が1.517である。 In the microindentation tester 1, the state of contact between the indenter and the test piece is observed by using a video camera (camera) coupled to an optical microscope and allowing the indenter to transmit light. Therefore, the indenter has a characteristic of translucency. It is necessary to have properties, and suitable materials include diamond, sapphire, glass and the like. The indenter used in the present invention is a transparent indenter. For light having a wavelength of 589.3 nm, the refractive index n i of the material constituting the indenter, diamond 2.420, sapphire 1.768, quartz glass is 1.456, optical glass (BK7) is at 1.517 is there.
空気は圧子周囲に存在する媒質であり、その屈折率は1.000である。一般的な試薬又は接触液(屈折率調整液)も圧子周囲の媒質であり、その屈折率nrは種々の中から選択できる。本発明では屈折率比nr/niに関し、種々の圧子−屈折率調整液の組み合わせの議論を行うこととする。 Air is a medium existing around an indenter and has a refractive index of 1.000. A general reagent or contact liquid (refractive index adjusting liquid) is also a medium around the indenter, and its refractive index nr can be selected from various types. It relates the refractive index ratio n r / n i In the present invention, various indenter - and to a discussion of the combination of the refractive index adjusting liquid.
例えば、屈折率調整液としてケロシン(屈折率nr=1.43)を選択する場合、石英ガラスの屈折率ni(=1.456)と近く、屈折率比nr/niは0.98となる。また、光学ガラス(BK7、屈折率ni=1.517)との組み合わせでは屈折率比nr/niは0.94となる。さらに、サファイア(屈折率ni=1.768)との組み合わせでは屈折率比nr/niは0.80となる。 For example, when selecting a kerosene (refractive index n r = 1.43) as a refractive index adjusting liquid, the refractive index of the quartz glass n i (= 1.456) and nearly the refractive index ratio n r / n i is 0. It becomes 98. Further, the optical glass (BK7, refractive index n i = 1.517) refractive index ratio n r / n i in combination with becomes 0.94. Further, the refractive index ratio is in combination with sapphire (refractive index n i = 1.768) n r / n i becomes 0.80.
一方、屈折率調整液としてシリコーンオイル(屈折率nr=1.51)を選択する場合、光学ガラス(BK7)の値(屈折率ni=1.517)と近く、屈折率比nr/niは0.995となる。また、サファイア(屈折率ni=1.768)との組み合わせでは屈折率比nr/niは0.85となる。さらに、石英ガラス(屈折率ni=1.456)との組み合わせでは屈折率比nr/niは1.037となる。 On the other hand, when selecting a silicone oil (refractive index n r = 1.51) as a refractive index adjusting liquid, close to the value (the refractive index n i = 1.517) of the optical glass (BK7), the refractive index ratio n r / n i will be 0.995. The refractive index ratio is in combination with sapphire (refractive index n i = 1.768) n r / n i becomes 0.85. Further, the refractive index ratio is in combination with quartz glass (refractive index n i = 1.456) n r / n i becomes 1.037.
さらに、屈折率が1.48から1.78まで0.01刻みで調整された屈折率調整液が市販されており入手可能である。屈折率比nr/niを1に近づけることは、適切な圧子−屈折率調整液の組を選択することで可能である。透明圧子の屈折率と接触液(屈折率調整液)の屈折率との比の値は、好ましくは1.0:1.0±0.2である。 Further, a refractive index adjusting solution having a refractive index adjusted from 1.48 to 1.78 in increments of 0.01 is commercially available. Bringing the refractive index ratio n r / n i to 1, suitable indenter - it is possible to select a set of refractive index adjusting liquid. The value of the ratio of the refractive index of the transparent indenter to the refractive index of the contact liquid (refractive index adjusting liquid) is preferably 1.0: 1.0 ± 0.2.
図4は、圧子の先端形状が三角錐である圧子について、面傾斜角の異なる三角錐を説明した図である。計装化インデンテーション試験で広く用いられているバーカビッチ(Berkovich)型圧子の先端形状において、先端面角αは65.03度、先端稜角ψは76.89度、面傾斜角βは24.97度、稜間隔2θは115.02度である。また、コーナーキューブ(Corner Cube)型の三角錐圧子において、先端面角αは35.26度、先端稜角ψは54.74度、面傾斜角βは54.73度、稜間隔2θは90度である。 FIG. 4 is a diagram illustrating triangular pyramids having different surface inclination angles for an indenter whose tip shape is a triangular pyramid. In the tip shape of the Berkovich type indenter widely used in instrumentation indentation tests, the tip surface angle α is 65.03 degrees, the tip edge angle ψ is 76.89 degrees, and the surface inclination angle β is 24.97. The degree and the ridge interval 2θ are 115.02 degrees. In a corner cube type triangular pyramid indenter, the tip surface angle α is 35.26 degrees, the tip edge angle ψ is 54.74 degrees, the surface inclination angle β is 54.73 degrees, and the edge spacing 2θ is 90 degrees. Is.
図5は、圧子の先端形状が四角錐である圧子について、面傾斜角の異なる四角錐を説明した図である。一般の金属類やセラミックスの硬さ試験で広く用いられているビッカース(Vickers)型圧子の先端形状において、先端面角αは68.00度、先端稜角ψは74.00度、面傾斜角βは22.00度、稜間隔2θは85.67度である。また、圧子先端の対面角が90.0度である直角プリズム構造の四角錐圧子において、先端面角αは45.00度、先端稜角ψは54.74度、面傾斜角βは45.00度、稜間隔2θは70.53度である。 FIG. 5 is a diagram illustrating quadrangular pyramids having different surface inclination angles for an indenter having a quadrangular pyramid tip shape. In the tip shape of the Vickers type indenter widely used in the hardness test of general metals and ceramics, the tip surface angle α is 68.00 degrees, the tip edge angle ψ is 74.00 degrees, and the surface inclination angle β. Is 22.00 degrees, and the ridge spacing 2θ is 85.67 degrees. Further, in a quadrangular pyramid indenter having a right-angled prism structure in which the facing angle of the indenter tip is 90.0 degrees, the tip surface angle α is 45.00 degrees, the tip ridge angle ψ is 54.74 degrees, and the surface inclination angle β is 45.00. The degree and the ridge interval 2θ are 70.53 degrees.
拡大レンズなどの光学系に入射する以前の空間は物体空間であり、全ての光学系を通過した後の像が出来る空間は像空間である。この定義に従えば、顕微インデンテーション試験機1の場合、透明圧子4も光学系の一部であるため顕微鏡を構成する拡大光学系と圧子光学系を合わせたものが全光学系であり、圧子先端から試験体の表面までが顕微インデンテーション試験機1の物体空間である。 The space before being incident on an optical system such as a magnifying lens is an object space, and the space where an image can be formed after passing through all the optical systems is an image space. According to this definition, in the case of the microscopic indentation tester 1, since the transparent indenter 4 is also a part of the optical system, the total optical system is a combination of the magnifying optical system and the indenter optical system constituting the microscope. The object space of the microscopic indentation tester 1 is from the tip to the surface of the test piece.
顕微鏡の対物レンズ17には集光特性があり、対物レンズ17の解像度を決定する数値として開口数NA (Numerical Aperture)がある。対物レンズ17の集光角θ1は、光軸との成す角であり、物体空間の媒質(空気)の屈折率をn、レンズの開口数をNAとすると、次式で表現出来る。 The objective lens 17 of the microscope has a focusing characteristic, and has a numerical aperture NA (Numerical Aperture) as a numerical value that determines the resolution of the objective lens 17. The focusing angle θ 1 of the objective lens 17 is an angle formed by the optical axis, and can be expressed by the following equation, where n is the refractive index of the medium (air) in the object space and NA is the numerical aperture of the lens.
さらに、物質1と物質2とが接しており、それぞれの屈折率がn1とn2であり、その界面を光が物質1から物質2へ通過する際の入射角θ1と出射角θ2との関係は「スネルの法則」として良く知られている次式で記述できる(図6)。 Further, the substance 1 and the substance 2 are in contact with each other, and their refractive indexes are n 1 and n 2 , respectively, and the incident angle θ 1 and the exit angle θ 2 when light passes from the substance 1 to the substance 2 at the interface thereof. The relationship with can be described by the following equation, which is well known as "Snell's law" (Fig. 6).
また、既知の屈折率(n1とn2)の界面に入射する光(入射角θ1)がどれだけ屈折するのか、すなわち、出射角θ2は(2)式を変形することで知ることができる。 Further, how much the light (incident angle θ 1 ) incident on the interface of the known refractive index (n 1 and n 2 ) is refracted, that is, the emission angle θ 2 can be known by modifying Eq. (2). Can be done.
図3(A)及び図3(B)に示すように、媒質1を空気(屈折率n1=1.000)、媒質2をダイヤモンド(屈折率n2=2.4195)とした場合、ダイヤモンド表面に対して角度を入射角θ1(=14.48度)で入射する光がダイヤモンドに出射する最大出射角θ2は(3)式から5.93度と計算される。 As shown in FIGS. 3 (A) and 3 (B), when the medium 1 is air (refractive index n 1 = 1.000) and the medium 2 is diamond (refractive index n 2 = 2.4195), diamond. The maximum emission angle θ 2 at which light incident on the surface at an incident angle θ 1 (= 14.48 degrees) is emitted to the diamond is calculated as 5.93 degrees from Eq. (3).
この例は、市販の対物レンズ(LMPlanFL、10X、NA=0.25、オリンパス製)の最大集光角度である集光角θ1(14.48度)に対するものであり、ダイヤモンド製圧子の内部への最大屈折角θ2は5.93度である。すなわち、ダイヤモンド圧子から出射する角度θ2が5.93度以内である光は、対物レンズ(LMPlanFL、10X、オリンパス製)に届き、光学顕微鏡の像として観察される。 This example is for a focusing angle θ 1 (14.48 degrees), which is the maximum focusing angle of a commercially available objective lens (LMPlanFL, 10X, NA = 0.25, manufactured by Olympus), and is inside a diamond indenter. The maximum refraction angle θ 2 to is 5.93 degrees. That is, the light emitted from the diamond indenter at an angle θ 2 within 5.93 degrees reaches the objective lens (LMPlanFL, 10X, manufactured by Olympus) and is observed as an image of an optical microscope.
また、媒質1を空気(屈折率n1=1.000)、媒質2をサファイア(屈折率n2=1.768)とした場合、サファイア表面に対して角度を入射角θ1(=14.48)で入射する光がサファイアに出射する最大出射角θ2は(3)式から8.13度と計算される。 When the medium 1 is air (refractive index n 1 = 1.000) and the medium 2 is sapphire (refractive index n 2 = 1.768), the angle of incidence with respect to the sapphire surface is θ 1 (= 14. The maximum emission angle θ 2 at which the light incident in 48) is emitted to the sapphire is calculated to be 8.13 degrees from the equation (3).
この例は、市販の対物レンズ(LMPlanFL、10X、オリンパス製)の最大集光角度である集光角θ1(14.48度)に対するものであり、サファイア圧子の内部への最大屈折角θ2は8.13度である。すなわち、サファイア圧子から出射する角度θ2が8.13度以内である光は、対物レンズ(LMPlanFL、10X、オリンパス製)に届き、光学顕微鏡の像として観察される。 This example is for a focusing angle θ 1 (14.48 degrees), which is the maximum focusing angle of a commercially available objective lens (LMPlanFL, 10X, manufactured by Olympus), and the maximum refraction angle θ 2 inside the sapphire indenter. Is 8.13 degrees. That is, the light emitted from the sapphire indenter at an angle θ 2 within 8.13 degrees reaches the objective lens (LMPlanFL, 10X, manufactured by Olympus) and is observed as an image of an optical microscope.
屈折が生じる入射角には最大値があり、その入射角は臨界角(θm)である。臨界角以上では全反射が生じる。屈折率n1>屈折率n2なる条件において、出射角θ2=90度が臨界である。よって、(2)式を変形すると、臨界角θmは次式である。 There is a maximum value for the angle of incidence at which refraction occurs, and the angle of incidence is the critical angle (θ m ). Total internal reflection occurs above the critical angle. Under the condition that the refractive index n 1 > the refractive index n 2 , the emission angle θ 2 = 90 degrees is critical. Therefore, when the equation (2) is modified, the critical angle θ m is the following equation.
媒質1をダイヤモンド(屈折率n2=2.420)、媒質2を空気(屈折率n1=1.000)とする場合、ダイヤモンドを透化してきた光が空気中に出射されない臨界角θmは(4)式から24.41度と計算される。また同様に、媒質1をサファイア(屈折率n2=1.768)とした場合、臨界角θmは(4)式から34.45度と計算される。 When the medium 1 is diamond (refractive index n 2 = 2.420) and the medium 2 is air (refractive index n 1 = 1.000), the critical angle θ m at which the light transmitted through the diamond is not emitted into the air. Is calculated as 24.41 degrees from Eq. (4). Similarly, when the medium 1 is sapphire (refractive index n 2 = 1.768), the critical angle θ m is calculated to be 34.45 degrees from the equation (4).
臨界角θm以上の角度では光は媒質2に出射できず、再度媒質1に戻る。これが全反射である。すなわち、ダイヤモンドを透過する光がダイヤモンド/空気の界面の垂線から24.41度より大きい角度で入射された場合、その光は空気中に出射せずにダイヤモンドの内部で全反射する。また同様に、サファイアを透過する光がサファイア/空気の界面の垂線から34.45度より大きい角度で入射された場合、その光は空気中に出射せずにサファイアの内部で全反射する。 At an angle of the critical angle θ m or more, light cannot be emitted to the medium 2 and returns to the medium 1 again. This is total reflection. That is, when the light transmitted through the diamond is incident at an angle larger than 24.41 degrees from the perpendicular of the diamond / air interface, the light is totally reflected inside the diamond without being emitted into the air. Similarly, when the light transmitted through the sapphire is incident at an angle larger than 34.45 degrees from the perpendicular of the sapphire / air interface, the light is totally reflected inside the sapphire without being emitted into the air.
ミクロ/ナノ領域におけるインデンテーション試験で最も重用される圧子先端の形状は三角錐型のバーカビッチ圧子(面傾斜角β(=24.97度))である。よって、次に、材質がダイヤモンド(屈折率n2=2.420)及びサファイア(屈折率n2=1.768)であるバーカビッチ圧子についての光線経路を考える。 The shape of the indenter tip most frequently used in the indentation test in the micro / nano region is a triangular pyramidal-shaped Berkavic indenter (plane inclination angle β (= 24.97 degrees)). Therefore, next, let us consider the ray path for the Berkavic indenter whose material is diamond (refractive index n 2 = 2.420) and sapphire (refractive index n 2 = 1.768).
図6は、本発明の一実施形態に係るバーカビッチ圧子の傾斜面と光線との関係を示したものであり、圧子の傾斜面が紙面と垂直になるよう描かれている。なお、図にはバーカビッチ圧子の面傾斜角β(=24.97度)の他、先端面角α(=65.03度)、及び、先端稜角ψ(=76.89度)が示してある。 FIG. 6 shows the relationship between the inclined surface of the Berkavic indenter and the light beam according to the embodiment of the present invention, and is drawn so that the inclined surface of the indenter is perpendicular to the paper surface. In addition to the surface inclination angle β (= 24.97 degrees) of the Berkavic indenter, the tip surface angle α (= 65.03 degrees) and the tip ridge angle ψ (= 76.89 degrees) are shown in the figure. ..
圧子と試験体の表面との隙間には、空気(屈折率n2=1.000)又は媒質(屈折率調整液、屈折率n2)が満たされている。 The gap between the indenter and the surface of the test piece is filled with air (refractive index n 2 = 1.000) or a medium (refractive index adjusting liquid, refractive index n 2 ).
先ず、圧子先端の光軸(図6中の破線)は試験体の表面と垂直であり、かつ、光学顕微鏡の光軸と平行の状態にある場合を考える。 First, consider the case where the optical axis of the tip of the indenter (broken line in FIG. 6) is perpendicular to the surface of the test piece and parallel to the optical axis of the optical microscope.
角度θ1は面傾斜角βと同位角であるため、面傾斜角βと同じ値である。すなわち、角度θ1は24.97度である。 Since the angle θ 1 is the same angle as the surface inclination angle β, it is the same value as the surface inclination angle β. That is, the angle θ 1 is 24.97 degrees.
圧子がダイヤモンド製であり、周囲の媒質が空気である場合、ダイヤモンド/空気界面の臨界角θmは、(4)式から24.41度である。光線の入射角は、圧子の面が作る角度θ1と等しい24.97度である場合、臨界角θmよりも大きい。このため、光学顕微鏡の対物レンズを透して垂直に落射された光は、圧子の傾斜面で全反射する。 When the indenter is made of diamond and the surrounding medium is air, the critical angle θ m of the diamond / air interface is 24.41 degrees from Eq. (4). The incident angle of the light ray is larger than the critical angle θ m when it is 24.97 degrees, which is equal to the angle θ 1 formed by the indenter's surface. Therefore, the light emitted vertically through the objective lens of the optical microscope is totally reflected by the inclined surface of the indenter.
光学顕微鏡として共焦点型レーザー顕微鏡を用いる場合は、集光角θ1と屈折角θ2はともに0度である。しかし、段落0051に記載したように、対物レンズの集光角を考慮した場合、圧子内の光線は試験体の上面に対して垂直ではない場合がある。市販の対物レンズ(LMPlanFL、10X、NA=0.25、オリンパス製)の最大集光角度である集光角θ1(14.48度)を例とすれば、ダイヤモンド圧子の内部への最大屈折角θ2は5.93度である(図3)。この最大屈折角θ2は対物レンズの最外周部で観察する像の場合であり、対物レンズの中心で観察する場合には屈折角θ2は0度である。 When a confocal laser scanning microscope is used as the optical microscope, the focusing angle θ 1 and the refraction angle θ 2 are both 0 degrees. However, as described in paragraph 0051, the light rays in the indenter may not be perpendicular to the top surface of the specimen when the focusing angle of the objective lens is taken into consideration. Taking the focusing angle θ 1 (14.48 degrees), which is the maximum focusing angle of a commercially available objective lens (LMPlanFL, 10X, NA = 0.25, manufactured by Olympus), as an example, the maximum refraction inside the diamond indenter The angle θ 2 is 5.93 degrees (Fig. 3). The maximum refraction angle θ 2 is the case of an image observed at the outermost peripheral portion of the objective lens, and the refraction angle θ 2 is 0 degrees when observing at the center of the objective lens.
最大屈折角θ2が5.93度である光線の場合、ダイヤモンド/空気界面の垂線に対する光線の入射角は、圧子の面が作る角度θ1(24.97度)よりも5.93度だけ小さい19.04度である。この角度は、臨界角θmである24.41度よりも小さい。このため、圧子の傾斜面で全反射することなく空気(圧子外部)に出射する。その出射角は(3)式を用いて7.75度と計算される。すなわち、ダイヤモンド圧子の傾斜面に対して、ダイヤモンド側より入射角θ1(=19.04度)で入射した光は、空気へ出射角θ2(=7.75度)で出射する。 For a ray with a maximum refraction angle θ 2 of 5.93 degrees, the angle of incidence of the ray on the perpendicular at the diamond / air interface is only 5.93 degrees greater than the angle θ 1 (24.97 degrees) created by the indenter's surface. It is a small 19.04 degrees. This angle is smaller than the critical angle θ m, which is 24.41 degrees. Therefore, it is emitted to the air (outside the indenter) without total internal reflection on the inclined surface of the indenter. The emission angle is calculated to be 7.75 degrees using Eq. (3). That is, the light incident on the inclined surface of the diamond indenter from the diamond side at an incident angle θ 1 (= 19.04 degrees) is emitted to the air at an exit angle θ 2 (= 7.75 degrees).
別の例として、圧子がサファイア製であり、周囲の媒質が空気である場合、サファイア/空気の臨界角θmは34.45度である。角度θ1(=24.97度)は、臨界角θmよりも小さいため、光学顕微鏡から圧子の光軸と平行に落射された光は、圧子の傾斜面で全反射することなく圧子外部(空気)に出射する。 As another example, if the indenter is made of sapphire and the surrounding medium is air, the critical angle θ m of sapphire / air is 34.45 degrees. Since the angle θ 1 (= 24.97 degrees) is smaller than the critical angle θ m , the light emitted from the optical microscope parallel to the optical axis of the indenter is not totally reflected by the inclined surface of the indenter and is outside the indenter ( It emits to the air).
その出射角は(3)式を用い、13.81度と計算される。すなわち、サファイア圧子の傾斜面に対して、サファイア側より入射角θ1(=24.97)で入射した光は、空気へ出射角θ2(=13.81度)で出射する。 The emission angle is calculated to be 13.81 degrees using Eq. (3). That is, the light incident on the inclined surface of the sapphire indenter from the sapphire side at an incident angle θ 1 (= 24.97) is emitted to the air at an exit angle θ 2 (= 13.81 degrees).
さらに、圧子がサファイア製であり、周囲の媒質が屈折率n2を1.77に調整した屈折率調整液である場合、サファイア/空気の臨界角θmは90度である。角度θ1(=24.97度)は、臨界角θmよりも小さいため、光学顕微鏡から圧子の光軸と平行に落射された光は、圧子の傾斜面で全反射することなく空気(圧子外部)に出射する。その出射角は(3)式を用い、25.00度と計算される。すなわち、サファイア圧子の傾斜面と接触液(屈折率n=1.77)との界面に対して、サファイア側より入射角θ1(=24.97)で入射した光は、接触液へ出射角θ2(=25.00度)で出射する。 Further, when the indenter is made of sapphire and the surrounding medium is a refractive index adjusting liquid in which the refractive index n 2 is adjusted to 1.77, the critical angle θ m of sapphire / air is 90 degrees. Since the angle θ 1 (= 24.97 degrees) is smaller than the critical angle θ m , the light emitted from the optical microscope parallel to the optical axis of the indenter is not totally reflected by the inclined surface of the indenter and is air (indenter). Exit to the outside). The emission angle is calculated to be 25.00 degrees using the equation (3). That is, light incident on the interface between the inclined surface of the sapphire indenter and the contact liquid (refractive index n = 1.77) at an incident angle θ 1 (= 24.97) from the sapphire side is emitted to the contact liquid. It emits light at θ 2 (= 25.00 degrees).
段落0051に記載したように、対物レンズの集光角を考慮した場合、圧子内の光線は試験体に対して垂直ではない場合がある。市販の対物レンズ(LMPlanFL、10X、オリンパス製)の最大集光角度である集光角θ1(14.48度)を例とすれば、サファイア製圧子の内部への最大屈折角θ2は8.13度である。この最大屈折角θ2は対物レンズの最外周部で観察する像の場合であり、対物レンズの中心で観察する場合には屈折角θ2は0度である。 As described in paragraph 0051, the light rays in the indenter may not be perpendicular to the specimen when considering the focusing angle of the objective lens. Taking the focusing angle θ 1 (14.48 degrees), which is the maximum focusing angle of a commercially available objective lens (LMPlanFL, 10X, manufactured by Olympus), as an example, the maximum refraction angle θ 2 inside the sapphire indenter is 8. It is .13 degrees. The maximum refraction angle θ 2 is the case of an image observed at the outermost peripheral portion of the objective lens, and the refraction angle θ 2 is 0 degrees when observing at the center of the objective lens.
最大屈折角θ2が8.13度である光線の場合、サファイア/空気界面の垂線に対する光線の入射角は、圧子の面が作る角度θ1(24.97度)よりも8.13度だけ小さい16.84度である。この角度は、臨界角θmである24.41度よりも小さい。このため、圧子の傾斜面で全反射することなく空気(圧子外部)に出射する。その出射角は(3)式を用い、9.43度と計算される。すなわち、サファイア圧子の傾斜面に対して、サファイア側より入射角θ1(=16.84度)で入射した光は、空気へ出射角θ2(=9.43度)で出射する。 For a ray with a maximum refraction angle θ 2 of 8.13 degrees, the angle of incidence of the ray on the perpendicular at the sapphire / air interface is only 8.13 degrees greater than the angle θ 1 (24.97 degrees) created by the indenter surface. It is a small 16.84 degrees. This angle is smaller than the critical angle θ m, which is 24.41 degrees. Therefore, it is emitted to the air (outside the indenter) without total internal reflection on the inclined surface of the indenter. The emission angle is calculated to be 9.43 degrees using Eq. (3). That is, the light incident on the inclined surface of the sapphire indenter from the sapphire side at an incident angle θ 1 (= 16.84 degrees) is emitted to the air at an exit angle θ 2 (= 9.43 degrees).
金属を試験体とする硬さ試験ではブリネル・インデンテーション試験が重用されている。ブリネル・インデンテーション試験で用いられる圧子は球面圧子である。そこで、次に半球状の球面圧子(半径r=500ミクロン)について考える。 The Brinell indentation test is heavily used in the hardness test using a metal as a test piece. The indenter used in the Brinell indentation test is a spherical indenter. Therefore, next, a hemispherical spherical indenter (radius r = 500 microns) will be considered.
球面圧子の形状が持つ特徴は、光路の落射位置が圧子と試験体表面との接触中心から離れるに伴い、圧子−屈折率調整液との界面に対する入射角θ1が増大することである。入射角θ1が臨界角θmを超えると全反射が生じ、観察像を得ることができなくなる。故に、半球状の球面圧子では、外縁近傍の領域に観察像が得られない不可視領域が生じる。屈折率比nr/niを1に近づけることで、臨界角θmは90度に近づき、不可視領域を減少させることができる。なお、屈折率比nr/ni>1の場合には全反射は生じない。 The characteristic of the shape of the spherical indenter is that the incident angle θ 1 with respect to the interface between the indenter and the refractive index adjusting liquid increases as the epi-illumination position of the optical path moves away from the contact center between the indenter and the surface of the specimen. When the incident angle θ 1 exceeds the critical angle θ m , total reflection occurs and an observation image cannot be obtained. Therefore, with a hemispherical spherical indenter, an invisible region where an observed image cannot be obtained occurs in a region near the outer edge. By approaching the refractive index ratio n r / ni to 1, the critical angle θ m approaches 90 degrees, and the invisible region can be reduced. When the refractive index ratio is n r / ni > 1, total reflection does not occur.
半球状の球面圧子に対し、屈折率比nr/niを種々に変化させる場合について、光路をシミュレーションにより三次元的に詳細に検討する。 The case where the refractive index ratio n r / ni is variously changed with respect to a hemispherical spherical indenter will be examined in detail three-dimensionally by simulation of the optical path.
圧子と屈折率調整液との組み合わせに関し、サファイア−空気(comb.1)、石英ガラス−空気(comb.2)、サファイア-シリコーンオイル(comb.3)及び石英ガラス−ケロシン(comb.4)、サファイア−サファイア専用屈折率調整液(comb.5、nr=1.77)を例としてシミュレーションと実験の両面から検討する。 Regarding the combination of indenter and refractive index adjuster, sapphire-air (comb.1), quartz glass-air (comb.2), sapphire-silicone oil (comb.3) and quartz glass-kerosin (comb.4), Using a sapphire-sapphire-dedicated refractive index adjusting solution (comb.5, n r = 1.77) as an example, both simulation and experiment will be examined.
試験体に入射する光は、試験体に対する垂直落射光に加えて角度を持つ成分があり、その角度の大きさは対物レンズの開口数NAから求められる。本シミュレーションでは開口数NAの値として0.16を用いる。単色レーザー光を用いた顕微鏡は色収差が無いため、レンズと平滑な試験体表面との間が一様な屈折率の媒質で占められているならば、全観察領域において焦点位置を試験体表面と一致させることが可能である。しかし本装置において、レーザー光は大気、圧子、屈折率調整液という異なる屈折率を有する三種類の媒質の中を通ることとなる。 The light incident on the test body has a component having an angle in addition to the vertical fall light with respect to the test body, and the magnitude of the angle can be obtained from the numerical aperture NA of the objective lens. In this simulation, 0.16 is used as the numerical aperture NA value. Since a microscope using a monochromatic laser beam has no chromatic aberration, if the space between the lens and the smooth surface of the specimen is occupied by a medium having a uniform refractive index, the focal position is set to the surface of the specimen in the entire observation region. It is possible to match. However, in this device, the laser light passes through three types of media having different refractive indexes: atmosphere, indenter, and refractive index adjusting liquid.
光は屈折率が異なる二種類の物質の界面を通過する度に屈折するため、焦点位置は試験体表面と一致しなくなる。この不一致を、圧子−屈折率調整液の組として石英ガラス-ケロシン(comb.4、nr/ni=0.98)の屈折率を用いて計算する。 Since light is refracted each time it passes through the interface between two kinds of substances having different refractive indexes, the focal position does not match the surface of the specimen. This mismatch, the indenter - calculated using the refractive index of kerosene (comb.4, n r / n i = 0.98) - quartz glass as a set of refractive index adjusting liquid.
図7に示すように、共焦点光学系におけるレーザー光検出器で同一の位置に対応するRay1及びRay2を考える。Ray1は対物レンズ中心を通過する光、Ray2は焦点位置側の対物レンズ端を通過する光とする。なお、Ray1及びRay2以外にも落射光が存在するが、試験片表面と焦点位置の差が最大となるRay1及びRay2の組み合わせを用いて計算を行う。 As shown in FIG. 7, consider Ray1 and Ray2 corresponding to the same position in the laser photodetector in the confocal optical system. Ray 1 is light that passes through the center of the objective lens, and Ray 2 is light that passes through the end of the objective lens on the focal position side. Although there is epi-illumination other than Ray1 and Ray2, the calculation is performed using the combination of Ray1 and Ray2 that maximizes the difference between the surface of the test piece and the focal position.
ここでは試験体表面と平行方向との距離を考える。Ray1及びRay2の交点として求められる焦点位置と、圧子-試験体の接触中心点との、距離をwとする。各wにおける焦点位置fを図8に示す。焦点位置は、f=−500ミクロンにおいて試験体表面と一致する。 Here, the distance between the surface of the test piece and the parallel direction is considered. Let w be the distance between the focal position determined as the intersection of Ray1 and Ray2 and the contact center point of the indenter-test piece. The focal position f at each w is shown in FIG. The focal position coincides with the surface of the specimen at f = -500 microns.
wの増加に伴い、焦点位置fと試験体表面位置(f=−500ミクロン)との距離は乖離していくことがわかる。また、焦点位置fが−500ミクロンから離れることで、試験体表面から反射された異なる光路の光により、観察像が結像される。 It can be seen that as w increases, the distance between the focal position f and the surface position of the test piece (f = −500 micron) becomes divergent. Further, when the focal position f is separated from −500 microns, the observation image is formed by the light of different optical paths reflected from the surface of the test piece.
各wの点に対し、試験体面上での結像位置の差をdwとする。その差dwを図9に示す。wの増大に伴いdwも増大することがわかる。 Let dw be the difference in image formation position on the test piece surface with respect to each point of w. The difference dw is shown in FIG. It can be seen that dw also increases as w increases.
一方、光学顕微鏡における分解能δは次式(Rayleighの式)で表される。 On the other hand, the resolution δ in the optical microscope is expressed by the following equation (Rayleigh's equation).
(5)式に、代表的な値として、He−Neレーザー光の波長λ(=632.8nm)、対物レンズの開口数NA(=0.16)を代入することで光学的分解能δ=1.76ミクロンを得る。 By substituting the wavelength λ (= 632.8 nm) of the He-Ne laser beam and the numerical aperture NA (= 0.16) of the objective lens into the equation (5) as typical values, the optical resolution δ = 1 Obtain .76 microns.
光学的分解能δ=1.76ミクロンに相当する結像位置の差dw(=1.76ミクロン)を生じる距離wは、図9より399ミクロンであるとわかる。 From FIG. 9, it can be seen that the distance w that produces the difference dw (= 1.76 microns) of the imaging positions corresponding to the optical resolution δ = 1.76 microns is 399 microns.
すなわち、圧子中心からの距離が半径399ミクロン以下の範囲におけるdwは、共焦点レーザー顕微鏡の分解能より小さく、観察上の障害にならない。押し込み荷重が十分に小さく、観察半径が396ミクロン以下である場合は、全観察領域において明瞭な画像が得られる。 That is, the dw in the range where the distance from the indenter center is 399 microns or less in radius is smaller than the resolution of the confocal laser scanning microscope and does not hinder the observation. When the indentation load is sufficiently small and the observation radius is 396 microns or less, a clear image can be obtained in the entire observation region.
さらに、圧子と屈折率調整液との組み合わせを種々に変更させた場合、それらの組み合わせごとに得られる像がどのように変化するかを予測するため、以下に示す光学モデルに基づいて計算する。ここでは、光の波長として、λ=632.8nm(He−Neレーザー)を用いる。 Further, when the combination of the indenter and the refractive index adjusting liquid is changed in various ways, the calculation is performed based on the optical model shown below in order to predict how the image obtained for each combination will change. Here, λ = 632.8 nm (He-Ne laser) is used as the wavelength of light.
図10に示すように、垂直落射光Ray3を考え、圧子中心から被観察位置までの距離をx、レーザー光の検出器において結像される位置をa、と定義する。各条件におけるxとaとの関係を計算した結果を図11および図12に示す。 As shown in FIG. 10, considering the vertical epi-illumination Ray3, the distance from the indenter center to the observed position is defined as x, and the position formed by the laser photodetector is defined as a. The results of calculating the relationship between x and a under each condition are shown in FIGS. 11 and 12.
レンズと試験体表面との間が一様な屈折率の媒質で占められているならば、x=wとなる。ここでの距離wは図7で示したものであり、nr/niが1に十分近い場合はx=wと近似される。 If the space between the lens and the surface of the test piece is occupied by a medium having a uniform refractive index, then x = w. The distance w here is as shown in FIG. 7, and when n r / ni is sufficiently close to 1, it is approximated as x = w.
図11及び図12中に示された点線はx=aの関係式が成り立つ条件、つまり、圧子と屈折率調整液の屈折率比nr/niが1であるため、光の屈折が起こらない状態を意味する。屈折率比nr/niが1に近い組み合わせほど、距離xが結像位置aに近いこと、すなわち、点線で示したx=aに近いこと、がわかる。 11 and is indicated dotted line in FIG. 12 condition equation of x = a is satisfied, that is, the refractive index ratio of the indenter and the refractive index adjusting liquid n r / n i is 1, refraction of light occurs It means no state. It can be seen that the closer the refractive index ratio n r / ni is to 1, the closer the distance x is to the imaging position a, that is, the closer to x = a shown by the dotted line.
また、結像位置aがある値(例としてcomb.1において、a=279ミクロン)を超えると、結像位置aに対応する距離xは存在しない。これは上述した光の全反射に起因する。圧子は半球状の球面であるため、圧子と試験体との接触円中心点から離れるほど、入射角θ1は大きくなり、結像位置aがある値以上に大きい位置では全反射が起こる。 Further, when the imaging position a exceeds a certain value (for example, in comb.1, a = 279 microns), the distance x corresponding to the imaging position a does not exist. This is due to the total reflection of light described above. Since the indenter is a hemispherical spherical surface, the incident angle θ 1 becomes larger as the distance from the center point of the osculating circle between the indenter and the test piece increases, and total reflection occurs at a position where the imaging position a is larger than a certain value.
屈折率比nr/niが1未満の組み合わせでは、屈折率比nr/niが1に近づくほど臨界角θ0が90°に近くなり、球面での全反射が起きる条件が満たされ難くなる。よって、屈折率調整液を用いることで、全反射による結像不可領域を減少させることができ、観察可能な領域が大きくなる。 The combined refractive index ratio n r / n i is less than 1, the refractive index ratio n r / n i is close to the critical angle theta 0 is 90 ° closer to 1, the total reflection occurs condition spherical are met It becomes difficult. Therefore, by using the refractive index adjusting liquid, it is possible to reduce the non-imaging region due to total reflection, and the observable region becomes large.
各屈折率比nr/niの組み合わせにおける、観察可能な試験体表面の範囲は、距離xの最大値から知ることができる。例として、comb.1、及び、comb.4における距離xの最大値はそれぞれ、206ミクロン、及び、441ミクロンである。 In the combination of each refractive index ratio n r / n i, the range of observable specimen surface can be known from the maximum value of the distance x. As an example, the maximum values of the distance x in comb.1 and comb.4 are 206 microns and 441 microns, respectively.
また、各屈折率比nr/niの各組合せにおいて、一つの距離xに対して二つの結像位置aが存在する領域がある。これは、ある位置の試験体表面が二か所で結像されることを意味する。しかし、図8に示した通り、観察位置が圧子の縁に近づくに伴い焦点位置fと試験片表面(f=−500ミクロン)との距離が大きくなるため、圧子の縁では明瞭な観察像を得ることができない。 In each combination of the refractive index ratio n r / n i, there is a region where there are two imaging position a with respect to one distance x. This means that the surface of the specimen at a certain position is imaged in two places. However, as shown in FIG. 8, as the observation position approaches the edge of the indenter, the distance between the focal position f and the surface of the test piece (f = -500 microns) increases, so that a clear observation image is obtained at the edge of the indenter. I can't get it.
次に、観察像の二次元的な歪み、すなわち、試験体表面上の真の位置と観察像の位置のズレについて計算と実験の両面から検証する。 Next, the two-dimensional distortion of the observed image, that is, the deviation between the true position on the surface of the test piece and the position of the observed image is verified from both calculation and experiment.
図13に示すように、観察像の二次元的な歪みを可視化するために、試験体表面の25ミクロン間隔のマーキング点を考える。 As shown in FIG. 13, in order to visualize the two-dimensional distortion of the observed image, consider marking points at 25 micron intervals on the surface of the specimen.
圧子−屈折率調整液の組として石英ガラス-ケロシン(comb.4、nr/ni=0.98)の屈折率を用い、試験体表面に対し垂直な落射光(波長λ=632.8nm(He−Neレーザー))を用いて観察する場合について計算する。 Indenter - quartz glass as a set of refractive index adjusting liquid - kerosene (comb.4, n r / n i = 0.98) the refractive index with the perpendicular incident light to the test surface (wavelength lambda = 632.8 nm (He-Ne laser)) is used for observation.
図13におけるx及びaは図10で定義されたものであり、屈折率比nr/niが1に近い本条件下ではx=wと近似される。 X and a in FIG. 13 are those defined in FIG. 10, and are approximated to x = w under this condition in which the refractive index ratio n r / ni is close to 1.
計算によって得られた観察像の例として、押し込み深さhが0ミクロンの場合(無負荷)、及び、押し込み深さhが10ミクロンである場合、とを示す。ここでの押し込み深さhは、図10で定義したものである。圧子の縁に近い点ほど、像の歪、つまり実位置xと結像位置aの差が大きい。加えて、圧子の縁付近では光の全反射によりマーキング点が観察されない。これらの計算結果は、同じ仮定で求めた計算結果の図12と一致する。 As an example of the observation image obtained by the calculation, a case where the pushing depth h is 0 micron (no load) and a case where the pushing depth h is 10 microns are shown. The pushing depth h here is defined in FIG. The closer to the edge of the indenter, the greater the distortion of the image, that is, the difference between the actual position x and the imaging position a. In addition, no marking points are observed near the edge of the indenter due to total internal reflection of light. These calculation results are in agreement with FIG. 12 of the calculation results obtained under the same assumption.
以上の計算結果を、顕微インデンテーション装置を用いた実験により検証する。試験体としてPure Agを選択した。Pure Agの押し込み試験体表面に、マーキング点としてナノインデンター(HYSITRON製、TriboIndenter、TI950)を用い、25ミクロン間隔で縦40点×横40点、計1600点の微小圧痕を付けた。 The above calculation results will be verified by experiments using a microscopic indentation device. Pure Ag was selected as the test body. A nanoindenter (manufactured by HYSITRON, TriboIndenter, TI950) was used as marking points on the surface of the indentation test piece of Pure Ag, and microindentations of 40 points in length × 40 points in width, totaling 1600 points, were made at 25 micron intervals.
圧子−屈折率調整液の組み合わせとして、石英ガラス−ケロシン(comb.4、屈折率比nr/ni=0.98)を選択し、顕微インデンテーション試験を常温、大気中で行った。実験では変位速度を毎秒1ミクロンとした。 Indenter - as a combination of refractive index adjusting liquid, silica glass - Select kerosene (Comb.4, the refractive index ratio n r / n i = 0.98) , were microscopic indentation test room temperature, in air. In the experiment, the displacement rate was set to 1 micron per second.
実験結果を図13に示す。図中に示した白破線は、50ミクロン間隔を示す目印として描かれたものである。観察されたマーキング点は、目印の白破線より外側に位置しており、実験結果と計算結果は良く一致している。 The experimental results are shown in FIG. The white dashed line shown in the figure is drawn as a mark indicating the interval of 50 microns. The observed marking points are located outside the white dashed line of the mark, and the experimental results and the calculated results are in good agreement.
本発明によれば、荷重を負荷している状態にある試験体の表面を透明圧子に光を透過させる手法で明瞭かつ詳細に観察しその場計測できる。したがって、荷重と接触面積の実測値から負荷応力値が演算できるとともに、以下の種々の試験が実現可能となる。
(1)表面の形状、双晶若しくは転位又は/及び亀裂の観察、
(2)形状記憶合金の機構解明のための観察、
(3)合金開発でのスクリーニングのための観察、
(4)応力誘起変態機構解明のための観察、
(5)表面脆性相の破壊と剥離の観察、
(6)ボールオンディスクスクラッチを模した摩耗特性を把握するための観察、
(7)ボールオンディスクスクラッチを模した薄膜密着性評価のための観察、及び
(8)光学的特性観察手法と組み合わせての観察
According to the present invention, the surface of a test piece under load can be observed clearly and in detail by a method of transmitting light through a transparent indenter and measured on the spot. Therefore, the load stress value can be calculated from the measured values of the load and the contact area, and the following various tests can be realized.
(1) Observation of surface shape, twins or dislocations and / and cracks,
(2) Observation to elucidate the mechanism of shape memory alloy,
(3) Observation for screening in alloy development,
(4) Observation to elucidate the stress-induced transformation mechanism,
(5) Observation of fracture and exfoliation of the surface brittle phase,
(6) Observation to grasp the wear characteristics imitating a ball-on-disc scratch,
(7) Observation for evaluation of thin film adhesion imitating ball-on-disk scratch, and (8) Observation in combination with optical characteristic observation method
圧子として、三角錐圧子(サファイア製、バーカビッチ型、屈折率ni=1.768)を選択し、圧子と試験体表面との隙間を満たす液体として、市販の接触液(屈折率調整液)(屈折率nr=1.77、株式会社島津デバイス製造、品番:nd1.77)を用いた実験例を示す。この組み合わせ(comb.5)は、屈折率比nr/ni=1.00である。 As indenter, triangular pyramid indenter (sapphire, Bakabitchi type, refractive index n i = 1.768) select, as the liquid filling the gap between the indenter and the test surface, a commercially available contact liquid (refractive index adjusting liquid) ( An example of an experiment using a refractive index n r = 1.77, manufactured by Shimadzu Device Co., Ltd., product number: nd1.77) is shown. This combination (comb.5) is a refractive index ratio n r / n i = 1.00.
図14は、サファイア圧子の先端とマイクロスケール(10ミクロンピッチ、金属製、反射式)の表面とを接触させ、光学顕微鏡の落射照明でスケールバーを撮像した画像である。図14(A)は、サファイア圧子とマイクロスケールとの隙間に空気が存在する場合であり、図14(B)は、サファイア圧子とマイクロスケールとの隙間に屈折率調整液(屈折率nr=1.77)が存在する場合である。 FIG. 14 is an image of a scale bar imaged by epi-illumination of an optical microscope with the tip of a sapphire indenter in contact with the surface of a microscale (10 micron pitch, metal, reflective). FIG. 14A shows a case where air is present in the gap between the sapphire indenter and the microscale, and FIG. 14B shows a refractive index adjusting liquid (refractive index nr =) in the gap between the sapphire indenter and the microscale. This is the case when 1.77) exists.
図14(A)に示すサファイア/空気の場合、圧子の傾斜面から13.81度の出射角θ2で出射するため、垂直落射と比較し、11.16度(=24.97−13.81)だけの光の屈折(プリズム効果)が生じているため像に歪みが発生している。 In the case of sapphire / air shown in FIG. 14 (A), since it is emitted from the inclined surface of the indenter at an emission angle θ 2 of 13.81 degrees, it is 11.16 degrees (= 24.97-13. Since the refraction of light (prism effect) of only 81) occurs, the image is distorted.
一方、図14(B)に示すサファイア(ni=1.768)/屈折率調整液(nr=1.77)の場合、界面での屈折は−0.03度(=24.97−25.00)である。このことが奏功し画像の歪みは極めて小さく、試験体であるマイクロスケール表面の様子(10ミクロンピッチのバー)を明瞭かつ詳細に観察できることを示している。 On the other hand, if the sapphire shown in FIG. 14 (B) (n i = 1.768) / refractive index adjusting liquid (n r = 1.77), refraction at the interface -0.03 ° (= 24.97- 25.00). This was successful, and the distortion of the image was extremely small, indicating that the appearance of the microscale surface (10 micron pitch bar) of the test piece could be observed clearly and in detail.
圧子として、半球状の球面圧子(半径r=500ミクロン)を用いた実験例を示す。顕微インデンテーション試験の条件は、常温・大気中とし、変位速度は毎秒1ミクロン、最大押し込み荷重は4.9N、もしくは、9.8Nとした。 An experimental example using a hemispherical spherical indenter (radius r = 500 microns) as an indenter is shown. The conditions of the microindentation test were normal temperature and air, the displacement rate was 1 micron per second, and the maximum pushing load was 4.9 N or 9.8 N.
試験体として、平均結晶粒径がミクロンオーダーのPure Ag(純銀)を用いた顕微インデンテーション試験を実施した。Pure Agは鏡面研磨が容易であり、また耐酸化性が良いことから、試験中に良好な試験片表面状態を保つことができる。また、Pure Agは比較的硬度が低く対称性の良いFCC構造であり、等方的な塑性変形となるため、評価用モデル材料として適している。Pure Agの鋳造材にエメリー紙及びアルミナ研磨剤(粒径0.1ミクロン)による機械研磨を施し、試験体とした。 A microindentation test was carried out using Pure Ag (pure silver) having an average crystal grain size on the order of microns as a test piece. Pure Ag is easy to mirror-polish and has good oxidation resistance, so that a good surface condition of the test piece can be maintained during the test. In addition, Pure Ag has an FCC structure having a relatively low hardness and good symmetry, and is isotropically plastically deformed, so that it is suitable as a model material for evaluation. The cast material of Pure Ag was mechanically polished with emery paper and an alumina abrasive (particle size 0.1 micron) to prepare a test piece.
圧子−屈折率調整液の組み合わせとして、サファイア−大気(comb.1、屈折率比nr/ni=0.56)、石英ガラス−大気(comb.2、屈折率比nr/ni=0.68)、サファイア−シリコーンオイル(comb.3、屈折率比nr/ni=0.85)、及び、石英ガラス−ケロシン(comb.4、屈折率比nr/ni=0.98)を選択した。 Indenter - as a combination of refractive index adjusting liquid, sapphire - air (Comb.1, the refractive index ratio n r / n i = 0.56) , silica glass - air (Comb.2, the refractive index ratio n r / n i = 0.68), sapphire - silicone oil (Comb.3, the refractive index ratio n r / n i = 0.85) , and quartz glass - kerosene (Comb.4, the refractive index ratio n r / n i = 0. 98) was selected.
図15は、各条件における顕微インデンテーション装置によるその場観察画像である。観察像からわかるように、本手法は押し込み荷重の増加に伴う圧子と試験体との接触面積が増大する過程と同時に接触面周囲の試験片表面をその場観察することが可能である。 FIG. 15 is an in-situ observation image by the microindentation device under each condition. As can be seen from the observation image, this method enables in-situ observation of the surface of the test piece around the contact surface at the same time as the process of increasing the contact area between the indenter and the test piece as the pushing load increases.
図15に示したその場観察画像からは、屈折率比nr/ni=0.56(comb.1)では、ほぼ圧子接触面積の増大過程のその場観察のみが可能であるが、より屈折率比が大きくなる条件(nr/ni=0.68(comb.2))では、圧子接触面積の増大過程と共に圧子接触円の周囲の試験片表面の状況を同時にその場観察することが可能となり、屈折率比nr/niが更に1に近づくに従い、観察可能な試験体表面の領域が拡大している。 From situ observation image shown in FIG. 15, the refractive index ratio n r / n i = 0.56 ( comb.1), but can only approximately situ observation of increased process of indenter contact area, more condition refractive index ratio increases (n r / n i = 0.68 (comb.2)) At the same time be in situ observation of the condition of the test piece surface surrounding the indenter contact circle with increasing process of the indenter contact area becomes possible, it gets closer to the refractive index ratio n r / n i further 1, regions of the observable test surface is expanding.
これらの結果は、試験片の表面観察を行う領域に合わせた圧子−屈折率調整液の組を選択することで、適切な像を得ることができることを示している。 These results indicate that an appropriate image can be obtained by selecting an indenter-refractive index adjusting liquid pair suitable for the region where the surface of the test piece is observed.
第三の実施例として、半球体の球面側を球面圧子(サファイア製、屈折率ni=1.768)として使用した場合を示す。圧子と試験体表面との隙間を満たす液体として、市販のシリコーンオイル(屈折率nr=1.51)を屈折率調整液として用いた。この例では、屈折率比nr/niは0.85となる。 As a third embodiment, showing the case of using as a spherical spherical side hemisphere indenter (sapphire, a refractive index n i = 1.768). As a liquid that fills the gap between the indenter and the surface of the test piece, a commercially available silicone oil (refractive index rn = 1.51) was used as the refractive index adjusting liquid. In this example, the refractive index ratio n r / n i becomes 0.85.
試験体としてマグネシウム(Pure Mg)の単結晶、及びマグネシウム合金(Mg−1.3at.%Y、Mg−2.3at.%Y)の単結晶を用い、最大負荷荷重が9.8Nまでの負荷を[1−210]と平行な方向に印加した過程をレーザー顕微鏡で記録した。 A single crystal of magnesium (Pure Mg) and a single crystal of magnesium alloy (Mg-1.3at.% Y, Mg-2.3at.% Y) are used as test specimens, and the maximum load is up to 9.8N. Was applied in a direction parallel to [1-210] and recorded with a laser microscope.
図16は、Pure Mg、Mg−1.3at.%Y、及び、Mg−2.3at.%Yの各単結晶を用いた顕微インデンテーション試験において無負荷0.0Nと負荷荷重9.8Nにおいて記録されたその場観察像であり、点線で示された楕円形の圧痕は、押し込み過程においてIn-situ観察されたものである。 FIG. 16 shows Pure Mg, Mg-1.3 at. % Y and Mg-2.3 at. It is an in-situ observation image recorded at no load 0.0N and load load 9.8N in the microindentation test using each single crystal of% Y, and the elliptical indentation shown by the dotted line is in the indentation process. In-situ was observed.
一般にブリネル・インデンテーションによる圧痕投影形状は圧子形状を反映し円形となるが、Pure Mg単結晶を用いた顕微インデンテーションでは、押し込み過程のその場観察からも楕円形の圧痕形成が確認された。圧痕投影形状を楕円形と考えることで、長径と短径を定義する。楕円形圧痕の長径は[0001]と平行であった。この圧痕形状異方性は、Y濃度が増加するに伴い減少し、圧痕形状は円形に近づく。同様の結果がビッカース・インデンテーションからも確認されている。 In general, the projected indentation shape by Brinell indentation is circular, reflecting the indenter shape, but in microindentation using Pure Mg single crystal, in-situ observation of the indentation process confirmed the formation of elliptical indentation. The major axis and the minor axis are defined by considering the indentation projection shape as an ellipse. The major axis of the elliptical indentation was parallel to [0001]. This indentation shape anisotropy decreases as the Y concentration increases, and the indentation shape approaches a circle. Similar results have been confirmed by Vickers Indentation.
長径の端部から左右に向けたすべり線が確認され、これは底面すべりであると考えられる。一方、短径の端部付近からは{10−12}双晶の発生が確認され、Pure Mgでは大きく発達するが、Y添加材ではあまり現れない。同様の結果がブリネル・インデンテーション及びビッカース・インデンテーションを用いた研究において報告されている。 A slip line from the end of the major axis to the left and right was confirmed, which is considered to be a bottom slip. On the other hand, the generation of {10-12} twins was confirmed from the vicinity of the end of the minor axis, and it developed significantly with Pure Mg, but not so much with the Y additive. Similar results have been reported in studies using Brinell and Vickers indentations.
図17は、Pure Mg、Mg−1.3at.%Y、及び、Mg−2.3at.%Yを用いた各インデンテーション試験の各押し込み荷重においてその場観察像より測定した長径(dL)、短径(ds)及び長径と短径の差(Δd=dL−ds)を示す図である。図中の実線枠内(負荷荷重9.8Nの右隣)にプロットされたデータ点は、除荷後の試験体の表面に残る圧痕に対し、長軸と単軸の寸法を走査型電子顕微鏡(FE−SEM)により測定した値である。 FIG. 17 shows Pure Mg, Mg-1.3 at. % Y and Mg-2.3 at. The major axis (d L ), minor axis ( ds ) and the difference between the major axis and the minor axis (Δd = d L− ds ) measured from the in-situ observation image at each indentation load of each indentation test using% Y. It is a figure which shows. The data points plotted in the solid line frame in the figure (to the right of the load of 9.8 N) are scanning electron microscopes that measure the semimajor and uniaxial dimensions of the indentation remaining on the surface of the specimen after unloading. It is a value measured by (FE-SEM).
圧子接触領域では圧子-屈折率調整液間の界面が存在しないため、そこでの光の屈折は生じない。Y濃度の増加に伴い同一荷重における長径(dL)及び短径(ds)が減少していた。
圧痕径が小さくなることは硬さの増加、すなわちY固溶による強化を意味する。塑性変形が開始する1.0N程度の低い荷重下においても長径(dL)及び短径(ds)はY濃度の増加に伴い減少するにも関わらず、Δdは各組成間で大きな差を示さなかった。
その一方で押し込み荷重の増加に伴うΔdの増加量はY濃度の増加に伴い減少した。結果として押し込み荷重9.8NにおけるΔdはY濃度の増加に伴い減少した。これは、上述のY添加による圧痕形状異方性の減少を意味する。既に述べたように、顕微インデンテーション中に活動した塑性変形機構として、底面すべり及び{10−12}双晶が確認され、{10−12}双晶の活動量はY濃度の増加に伴い減少する。この結果は先行研究とよく一致する。
Since there is no indenter-refractive index adjusting liquid interface in the indenter contact region, no refraction of light occurs there. Major axis in the same load with increasing concentration of Y (d L) and the minor axis (d s) was decreased.
A smaller indentation diameter means an increase in hardness, that is, strengthening by Y solid solution. Major axis even in 1.0N as low load under which plastic deformation starts (d L) and the minor axis (d s) despite the decreases with increasing concentration of Y, [Delta] d is a large difference between each composition Not shown.
On the other hand, the amount of increase in Δd with the increase in the pushing load decreased with the increase in the Y concentration. As a result, Δd at a pushing load of 9.8 N decreased as the Y concentration increased. This means a decrease in indentation shape anisotropy due to the addition of Y described above. As already mentioned, bottom slip and {10-12} twins were confirmed as the plastic deformation mechanism activated during microindentation, and the activity of {10-12} twins decreased as the Y concentration increased. To do. This result is in good agreement with previous studies.
Mg-Y合金単結晶を用いたビッカース・インデンテーションによる先行研究において、圧痕近傍での柱面すべりの活動が確認されている。その際、Y濃度の増加に伴いビッカース圧痕の形状異方性が減少し、かつ、{10−12}双晶の活動量が減少していることが報告されており、Mg-Y合金単結晶においては{10−12}双晶のみならず柱面すべりも圧痕形成に大きく寄与し、その結果、圧痕形状異方性が減少していると結論付けている。本発明におけるY添加による圧痕形状異方性の減少は、ビッカース・インデンテーションによる先行研究と同様の理由に因ると推測される。 In the previous study by Vickers indentation using Mg-Y alloy single crystal, the activity of column surface slip near the indentation was confirmed. At that time, it has been reported that the shape anisotropy of the Vickers indentation decreases and the activity of {10-12} twins decreases as the Y concentration increases, and the Mg-Y alloy single crystal It is concluded that not only {10-12} twins but also columnar slips contribute significantly to the formation of indentations, and as a result, the indentation shape anisotropy is reduced. It is presumed that the decrease in indentation shape anisotropy due to the addition of Y in the present invention is due to the same reason as in the previous study by Vickers indentation.
長径(dL)よりはるかに短い短径(ds)側の圧痕近傍の試験体表面には、弾性的な振る舞いをして圧痕としては永久変形を残さない大きな「沈み込み(Sink−in)」領域が生じたと予想される。事実、顕微インデンテーション試験のその場観察画像では、短径(ds)側の圧痕最外縁部近傍にのみ、同心円状のニュートンリングが観察された。これは、短径(ds)側の圧痕最外縁部より外側で圧子と試験体表面の間の間隔が徐々に変化していることを示しており、したがって、短径側の圧痕近傍の試験体表面に「沈み込み(Sink-in)」が生じていると結論される。このように、本顕微インデンテーション法を用いることにより、楕円形圧痕の形成過程を明らかにすることが可能となった。 Major axis in the (d L) from the much smaller minor diameter (d s) side indentation vicinity of the specimen surface, narrowing Do "sink size leaving no permanent deformation as indentations and the elastic behavior (Sink-in) It is expected that an area has arisen. In fact, in the in-situ observation image of the microindentation test, concentric Newton rings were observed only near the outermost edge of the indentation on the minor axis ( ds ) side. This indicates that the distance between the indenter and the surface of the test piece gradually changes outside the outermost indentation on the minor axis ( ds ) side, and therefore, the test near the indentation on the minor axis side. It is concluded that there is a "sink-in" on the body surface. In this way, by using this microindentation method, it has become possible to clarify the formation process of elliptical indentations.
図18は、圧子接触試験による材料の構成式、すなわち、圧子力学における応力−歪み曲線である。圧子力学における代表応力は、負荷荷重を投影接触面積で除した平均接触圧力pm(=P/A)として、また、代表歪みは、接触円の直径dを圧子半径rで除した球面圧子接触歪みε(=d/r)として定義される。この実施例では、接触面積が真円形状では無く楕円であるため、楕円の長軸dLを圧子半径r(=500ミクロン)で除した値(dL/r)により接触歪みを定義した。 FIG. 18 is a constitutive equation of the material by the indenter contact test, that is, a stress-strain curve in indenter mechanics. Representative stress in indenter mechanics, as the load average contact pressure load divided by the projected contact area p m (= P / A) , also representative distortion, spherical indenter contact diameter d of the contact circle obtained by dividing the indenter radius r It is defined as the strain ε (= d / r). In this example, since the contact area is an ellipse rather than a perfect circle, the contact strain is defined by the value (d L / r) obtained by dividing the semimajor axis d L of the ellipse by the indenter radius r (= 500 microns).
平均接触圧力と圧子接触歪みとの関係は次式となる。 The relationship between the average contact pressure and the indenter contact strain is given by the following equation.
(6)式は、接触が弾性変形領域(いわゆる、ヘルツ接触)のみに限定される場合には、縦軸に平均接触圧力pm、横軸に圧子接触歪みd/rをプロットすれば原点を通る直線関係となり、その傾きはヤング率と定数の積であるため、一定の勾配となることを意味している。よって、その直線関係からの逸脱点は弾性限界であり、直線関係からの外れ方は塑性変形の度合いを示す。 (6), when the contact is limited only to the elastic deformation region (so-called Hertzian contact) the average vertical axis contact pressure p m, the origin if plotted indenter contact strain d / r on the horizontal axis It has a linear relationship through which it passes, and since its slope is the product of Young's modulus and a constant, it means that the slope is constant. Therefore, the deviation point from the linear relationship is the elastic limit, and the deviation from the linear relationship indicates the degree of plastic deformation.
図18の応力−歪み曲線には、(6)式における合成ヤング率E*を44.5GPaとした(6)式の直線関係が示してある。上記の3種類の試験体で得られた実験点は、直線から大きく外れた応力−歪み関係の非線形性を示している。応力−歪み曲線における各プロットから、顕微鏡で明確に観察された底面すべりと双晶による塑性変形挙動が全変形を支配していることを示している。 The stress-strain curve of FIG. 18 shows the linear relationship of the equation (6) in which the synthetic Young's modulus E * in the equation (6) is 44.5 GPa. The experimental points obtained with the above three types of test specimens show the non-linearity of the stress-strain relationship that deviates significantly from the straight line. Each plot on the stress-strain curve shows that the bottom slip and twinned plastic deformation behavior clearly observed under the microscope dominate the total deformation.
マグネシウム(Pure Mg)の単結晶の場合、図16に示したように、試験体表面を詳細に観察できるため、僅か1Nの負荷において底面すべり、及び、双晶が発生し、さらにそれらが発達していく挙動が顕微鏡的に判定できた。この負荷レベルは、応力と歪みに換算すれば、応力は197MPa、歪みは18.5%であり、図18の応力−歪み曲線においては、その変形挙動は完全塑性的な領域にあることが判る。 In the case of a single crystal of magnesium (Pure Mg), as shown in FIG. 16, since the surface of the test piece can be observed in detail, bottom slip and twins are generated under a load of only 1N, and they are further developed. The behavior was able to be determined microscopically. When this load level is converted into stress and strain, the stress is 197 MPa and the strain is 18.5%, and in the stress-strain curve of FIG. 18, it can be seen that the deformation behavior is in the completely plastic region. ..
図19は、特許文献2に記載の解析方法に従い演算した「塑性変形の尺度」をプロットしたものである。負荷中の接触面積が定量的に計測できる顕微インデンテーションでは、接触面積に基づく変形挙動解析が可能であり、「弾性」と「塑性」に分離することができる。図19において、右端は完全塑性を意味する。したがって、[1−210]と平行な方向にインデンテーション負荷を与えた場合、実験点が右上にあるマグネシウム(Pure Mg)の単結晶が、マグネシウム合金(Mg−1.3at.%Y、Mg−2.3at.%Y)の単結晶よりも塑性変形が全変形に占める割合が大きい。逆に、イットリウムYの添加量が増大する程、固溶強化の度合いが強く作用し、全変形に占める弾性的性質が増し、プロットは左下に向かう。 FIG. 19 is a plot of a "scale of plastic deformation" calculated according to the analysis method described in Patent Document 2. In microscopic indentation, which can quantitatively measure the contact area under load, deformation behavior analysis based on the contact area is possible, and it can be separated into "elasticity" and "plasticity". In FIG. 19, the right end means perfect plasticity. Therefore, when an indentation load is applied in the direction parallel to [1-210], the magnesium (Pure Mg) single crystal whose experimental point is on the upper right is a magnesium alloy (Mg-1.3at.% Y, Mg-. Plastic deformation accounts for a larger proportion of the total deformation than a single crystal of 2.3 at.% Y). On the contrary, as the amount of yttrium Y added increases, the degree of solid solution strengthening acts strongly, the elastic property in the total deformation increases, and the plot moves toward the lower left.
図20は、マグネシウム(Pure Mg)の単結晶を試験体とした顕微インデンテーション試験終了後に完全除荷した状態でその場観察した画像(上)と、試験後の試験体表面の走査型電子顕微鏡像(FE−SEM/EBSD)(下)とを、比較したものである。 FIG. 20 shows an image (top) observed in-situ with a single crystal of magnesium (Pure Mg) as a test body in a completely unloaded state after the completion of the microindentation test, and a scanning electron microscope on the surface of the test body after the test. It is a comparison with the image (FE-SEM / EBSD) (bottom).
図20において、母相と{10−12}双晶の界面を黒線で示している。図から、押し込み荷重の減少に伴い圧子直下において細い領域を持つ表面起伏が観察された。同様の細い領域を持つ表面起伏が、FE−SEM像からも観察されているが、この領域は、EBSD測定によって母相と同じ結晶方位であることがわかった。 In FIG. 20, the interface between the matrix and the {10-12} twin is shown by a black line. From the figure, surface undulations with a narrow region were observed just below the indenter as the pushing load decreased. Surface undulations with similar narrow regions were also observed from the FE-SEM image, but EBSD measurements revealed that this region had the same crystal orientation as the parent phase.
Mg合金を用いた圧縮試験及び引張試験による先行研究において、除荷時もしくは圧縮応力負荷後の引張応力負荷のような逆応力の負荷時における{10−12}双晶のDetwinningが報告されている。したがって、この領域は除荷時における{10−12}双晶の収縮、つまり、Detwinningに起因するものであり、押し込み試験中の圧痕直下における変形の様な複雑な応力−変形状況下においてもDetwinningが生じており、その挙動を顕微インデンテーション試験で観察することが可能となった。 In previous studies by compression test and tensile test using Mg alloy, Detwinning of {10-12} twins was reported at the time of unloading or under load of reverse stress such as tensile stress after load of compressive stress. .. Therefore, this region is due to the shrinkage of {10-12} twins during unloading, that is, Detwinning, even under complex stress-deformation conditions such as deformation just below the indentation during the indentation test. Has occurred, and its behavior can be observed in a microindentation test.
本顕微インデンテーション法は、圧子直下及び圧子接触領域近傍の試験体表面における塑性変形挙動のその場観察を可能とし、材料の塑性変形挙動を議論する上で非常に有効であると言える。 This microscopic indentation method enables in-situ observation of the plastic deformation behavior on the surface of the specimen directly under the indenter and near the indenter contact region, and can be said to be very effective in discussing the plastic deformation behavior of the material.
インデンテーション試験の負荷過程にある試験体表面を観察する装置及び観察方法を用いることにより、従来のマクロ試験よりも簡便に材料の構成式である応力−歪み曲線を実測できると同時に、種々の変形挙動や破壊挙動を高い精度で定量化することができる。このことは、変形機構や破壊機構を迅速かつ詳細に議論できることを意味している。 By using a device and an observation method for observing the surface of the specimen during the loading process of the indentation test, the stress-strain curve, which is the constitutive equation of the material, can be measured more easily than the conventional macro test, and at the same time, various deformations can be measured. Behavior and fracture behavior can be quantified with high accuracy. This means that the deformation mechanism and the fracture mechanism can be discussed quickly and in detail.
以上、本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the specific embodiment, and various modifications are made within the scope of the gist of the present invention described in the claims. , Can be changed.
1 顕微インデンテーション試験機
2 計測制御装置
3 顕微鏡
4 透明圧子
5 試験体
6 情報処理装置
7 ビデオカメラ
8 位置決め装置
9 荷重計測装置
10 入出力I/F
11 画像解析部
12 CPU
13 条件設定部
14 特性値演算部
15 記憶装置
16 装置制御部
17 対物レンズ
18 試験機フレーム
19 透明圧子保持板
20 屈折率調整液
30 鋭角圧子
31 球面圧子
32 集光角
33 半径
1 Microscopic indentation tester 2 Measurement control device 3 Microscope 4 Transparent indenter 5 Specimen 6 Information processing device 7 Video camera 8 Positioning device 9 Load measurement device 10 Input / output I / F
11 Image analysis unit 12 CPU
13 Condition setting unit 14 Characteristic value calculation unit 15 Storage device 16 Device control unit 17 Objective lens 18 Testing machine frame 19 Transparent indenter holding plate 20 Refractive index adjusting liquid 30 Acute angle indenter 31 Spherical indenter 32 Condensing angle 33 Radius
Claims (17)
前記試験体に荷重を加える加圧手段と、
前記荷重を計測する荷重計測手段と、
前記加圧手段で荷重を加えている前記試験体の表面を撮像する撮像手段と、を有し、
前記撮像手段は、前記透明圧子を透して試験体を撮像し、
前記観察は、
(1)表面の形状、双晶若しくは転位又は/及び亀裂の観察、
(2)形状記憶合金の機構解明のための観察、
(3)合金開発でのスクリーニングのための観察、
(4)応力誘起変態機構解明のための観察、
(5)表面脆性相の破壊と剥離の観察、
(6)ボールオンディスクスクラッチを模した摩耗特性を把握するための観察、及び
(7)ボールオンディスクスクラッチを模した薄膜密着性評価のための観察
からなる群より選ばれる少なくとも一種であり、
前記透明圧子と、前記試験体の表面の隙間には液体が存在しており、
前記透明圧子及び前記液体の屈折率は、所定の波長の光を用いて25±5℃で測定したときに略等しいことを特徴とする観察装置。 An observation device for observing the surface of a test piece when a load is applied to the surface of the test piece using a transparent indenter that transmits light of a specific wavelength.
A pressurizing means for applying a load to the test piece and
A load measuring means for measuring the load and
It has an imaging means for imaging the surface of the test body to which a load is applied by the pressurizing means.
The imaging means photographs the test piece through the transparent indenter.
The observation is
(1) Observation of surface shape, twins or dislocations and / and cracks,
(2) Observation to elucidate the mechanism of shape memory alloy,
(3) Observation for screening in alloy development,
(4) Observation to elucidate the stress-induced transformation mechanism,
(5) Observation of fracture and exfoliation of the surface brittle phase,
It is at least one selected from the group consisting of (6) observations for grasping wear characteristics imitating ball-on-disc scratches and (7) observations for evaluating thin film adhesion imitating ball-on-disc scratches.
A liquid is present in the gap between the transparent indenter and the surface of the test piece.
An observation device characterized in that the refractive indexes of the transparent indenter and the liquid are substantially equal when measured at 25 ± 5 ° C. using light having a predetermined wavelength.
位置及び方位を計測することを特徴とする請求項4に記載の観察装置。 The measuring means is of the twin or dislocation and / and crack.
The observation device according to claim 4, wherein the position and orientation are measured.
前記試験体に荷重を加える加圧手段と、
前記荷重を計測する荷重計測手段と、
前記加圧手段で荷重を加えている前記試験体の表面を撮像する撮像手段と、を用いて、
前記透明圧子と、前記試験体の表面の隙間に液体を存在させ、
前記透明圧子及び前記液体の屈折率は、所定の波長の光を用いて25±5℃で測定したときに略等しいものであり、
前記撮像手段により、前記透明圧子を透して試験体を撮像し、
(1)表面の形状、双晶若しくは転位又は/及び亀裂の観察、
(2)形状記憶合金の機構解明のための観察、
(3)合金開発でのスクリーニングのための観察、
(4)応力誘起変態機構解明のための観察、
(5)表面脆性相の破壊と剥離の観察、
(6)ボールオンディスクスクラッチを模した摩耗特性を把握するための観察、及び
(7)ボールオンディスクスクラッチを模した薄膜密着性評価のための観察
からなる群より選ばれる少なくとも一種を観察することを特徴とする観察方法。 An observation method for observing the surface of a test piece when a load is applied to the surface of the test piece using a transparent indenter that transmits light of a specific wavelength.
A pressurizing means for applying a load to the test piece and
A load measuring means for measuring the load and
Using the imaging means for imaging the surface of the test body to which the load is applied by the pressurizing means,
A liquid is allowed to exist in the gap between the transparent indenter and the surface of the test piece.
The refractive indexes of the transparent indenter and the liquid are substantially equal when measured at 25 ± 5 ° C. using light of a predetermined wavelength.
The test piece is imaged through the transparent indenter by the imaging means.
(1) Observation of surface shape, twins or dislocations and / and cracks,
(2) Observation to elucidate the mechanism of shape memory alloy,
(3) Observation for screening in alloy development,
(4) Observation to elucidate the stress-induced transformation mechanism,
(5) Observation of fracture and exfoliation of the surface brittle phase,
Observe at least one selected from the group consisting of (6) observations for grasping wear characteristics imitating ball-on-disc scratches and (7) observations for evaluating thin film adhesion imitating ball-on-disc scratches. An observation method characterized by.
位置及び方位を計測することを特徴とする請求項11に記載の観察方法。 By the measuring means, the twins or dislocations and / and the cracks
The observation method according to claim 11, wherein the position and orientation are measured.
コンピュータに、
前記撮像手段による前記試験体の表面を撮像するステップと、
撮像した前記試験体の表面の画像に基づき、前記画像解析部による、請求項5に記載の前記試験体表面が沈み込む形状又は盛り上がる形状である前記試験体の状態、又は/及び、請求項6に記載の前記双晶若しくは転位又は/及び亀裂の位置及び方位、又は/及び、請求項7に記載の前記透明圧子と試料表面との接触面積を動画像解析するステップを実行させる動画像解析プログラム。 A program used in the observation device of claim 1.
On the computer
A step of imaging the surface of the test body by the imaging means,
The state of the test piece, which is the shape in which the surface of the test piece is subducted or raised according to claim 5, by the image analysis unit based on the image of the surface of the test piece taken, and / and claim 6. A moving image analysis program for executing a step of moving image analysis of the position and orientation of the twin or dislocation and / and the crack according to claim 7, and the contact area between the transparent indenter and the sample surface according to claim 7. ..
コンピュータに、
ユーザーが入力した各種試験条件を受付けさせるステップと、
受付けた各種試験条件に基づいて精密位置決め装置を駆動させるステップと、
前記精密位置決め手段の駆動を介して、前記加圧手段による、前記透明圧子を用いて前記試験体の表面に加える荷重を制御させるステップを実行させる装置制御プログラム。 A program used in the observation device of claim 1.
On the computer
Steps to accept various test conditions entered by the user,
Steps to drive the precision positioning device based on the various test conditions received,
A device control program for executing a step of controlling a load applied to the surface of the test piece by the pressurizing means by using the transparent indenter through the driving of the precision positioning means.
コンピュータに、
前記撮像手段による前記試験体の表面を撮像するステップと、
撮像した前記試験体の表面の画像に基づき、前記観察装置による、請求項5に記載の前記試験体の状態を計測した値と、請求項6に記載の前記双晶若しくは転位又は/及び亀裂の位置及び方位と、請求項7に記載の前記透明圧子の圧入深さ及び/又は透明圧子と試料表面との接触面積とから前記試験体の特性値を演算するステップを実行させる特性値演算プログラム。
A program used in the observation device of claim 1.
On the computer
A step of imaging the surface of the test body by the imaging means,
Based on the image of the surface of the test piece taken, the value obtained by measuring the state of the test piece according to claim 5 by the observation device and the twin crystal or dislocation or / and crack according to claim 6. A characteristic value calculation program for executing a step of calculating the characteristic value of the test piece from the position and orientation, the press-fitting depth of the transparent indenter according to claim 7, and / or the contact area between the transparent indenter and the sample surface.
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