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AR Archivos mensuales: marzo 2020
Límite elástico y resistencia a la tracción del acero y el aluminio
Importancia de la medición del límite elástico y la resistencia a la tracción máxima mediante indentación
Tradicionalmente, el límite elástico y la resistencia a la tracción máxima se han probado utilizando una gran máquina de ensayo de tracción que requiere una enorme fuerza para separar las muestras de ensayo. Es costoso y lleva mucho tiempo mecanizar adecuadamente muchas muestras de ensayo para un material en el que cada muestra solo se puede probar una vez. Los pequeños defectos en la muestra crean una variación notable en los resultados de las pruebas. Las diferentes configuraciones y alineaciones de los ensayos de tracción disponibles en el mercado a menudo dan lugar a variaciones sustanciales en la mecánica y los resultados de las pruebas.
El innovador método de indentación de Nanovea proporciona directamente valores de límite elástico y resistencia a la tracción máxima comparables a los valores medidos mediante ensayos de tracción convencionales. Esta medición abre un nuevo campo de posibilidades de ensayo para todas las industrias. La sencilla configuración experimental reduce significativamente el tiempo y el costo de preparación de las muestras en comparación con la compleja forma de las probetas que se requiere para los ensayos de tracción. Es posible realizar múltiples mediciones en una sola muestra con un tamaño de indentación pequeño. Esto evita la influencia de los defectos que se observan en las muestras de ensayo de tracción creados durante el mecanizado de las muestras. Las mediciones de YS y UTS en muestras pequeñas en un área localizada permiten la cartografía y la detección de defectos locales en tuberías o estructuras de automóviles.
Objetivo de medición
En esta aplicación, Nanovea Comprobador mecánico mide el límite elástico y la resistencia a la tracción máxima de muestras de aleación metálica de acero inoxidable SS304 y aluminio Al6061. Las muestras se seleccionaron por sus valores de límite elástico y resistencia a la tracción máxima comúnmente reconocidos, lo que demuestra la fiabilidad de los métodos de indentación de Nanovea.
Procedimiento de ensayo y procedimientos
Las pruebas de límite elástico y resistencia a la tracción máxima se realizaron en el ensayador mecánico Nanovea en el Microindentación modo. Para esta aplicación se utilizó una punta de diamante cilíndrica plana de 200 μm de diámetro. Se seleccionaron las aleaciones SS304 y Al6061 por su amplia aplicación industrial y sus valores de límite elástico y resistencia a la tracción máximos comúnmente reconocidos, con el fin de demostrar el gran potencial y la fiabilidad del método de indentación. Las muestras se pulieron mecánicamente hasta obtener un acabado espejo antes de la prueba para evitar que la rugosidad de la superficie o los defectos influyeran en los resultados. Las condiciones de ensayo se enumeran en la tabla 1. Se realizaron más de diez ensayos con cada muestra para garantizar la repetibilidad de los valores de ensayo.
Resultados y debate
Las curvas de carga-desplazamiento de las muestras de aleación SS304 y Al6061 se muestran en la Figura 3 con las marcas del penetrador plano en las muestras de ensayo insertadas. El análisis de la curva de carga en forma de “S” mediante algoritmos especiales desarrollados por Nanovea calcula el límite elástico y la resistencia a la tracción máxima. Los valores se calculan automáticamente mediante el software, tal y como se resume en la tabla 1. Se incluyen los valores del límite elástico y la resistencia a la tracción máxima obtenidos mediante ensayos de tracción convencionales a efectos comparativos.
Conclusión
En este estudio, mostramos la capacidad del Nanovea Mechanical Tester para evaluar el límite elástico y la resistencia a la tracción máxima de muestras de láminas de acero inoxidable y aleación de aluminio. La sencilla configuración experimental reduce significativamente el tiempo y el costo de preparación de las muestras necesarios para los ensayos de tracción. El pequeño tamaño de la indentación permite realizar múltiples mediciones en una sola muestra. Este método permite realizar mediciones de YS/UTS en muestras pequeñas y áreas localizadas, lo que proporciona una solución para el mapeo de YS/UTS y la detección de defectos locales en tuberías o estructuras automotrices.
Los módulos Nano, Micro o Macro del Nanovea Mechanical Tester incluyen modos de ensayo de indentación, rayado y desgaste que cumplen con las normas ISO y ASTM, lo que proporciona la gama de ensayos más amplia y fácil de usar disponible en un solo sistema. La inigualable gama de Nanovea es la solución ideal para determinar todas las propiedades mecánicas de recubrimientos, películas y sustratos finos o gruesos, blandos o duros, incluyendo la dureza, el módulo de Young, la resistencia a la fractura, la adhesión, la resistencia al desgaste y muchas otras. Además, hay disponibles un perfilador 3D sin contacto y un módulo AFM opcionales para obtener imágenes 3D de alta resolución de la indentación, el rayado y el desgaste, además de otras mediciones de la superficie, como la rugosidad.
Tribología de carga dinámica
Tribología de carga dinámica
Introducción
El desgaste se produce prácticamente en todos los sectores industriales y supone un costo de aproximadamente 0,751 TP3T del PIB1. La investigación en tribología es fundamental para mejorar la eficiencia de la producción, el rendimiento de las aplicaciones y la conservación de los materiales, la energía y el medio ambiente. Las vibraciones y oscilaciones son inevitables en una amplia gama de aplicaciones tribológicas. Las vibraciones externas excesivas aceleran el proceso de desgaste y reducen el rendimiento del servicio, lo que provoca fallos catastróficos en las piezas mecánicas.
Los tribómetros de carga muerta convencionales aplican cargas normales mediante pesos. Esta técnica de carga no solo limita las opciones de carga a una carga constante, sino que también genera intensas vibraciones incontroladas a cargas y velocidades elevadas, lo que da lugar a evaluaciones del comportamiento de desgaste limitadas e inconsistentes. Es conveniente realizar una evaluación fiable del efecto de la oscilación controlada sobre el comportamiento de desgaste de los materiales para la investigación y el desarrollo y el control de calidad en diferentes aplicaciones industriales.
La innovadora alta carga de Nanovea tribómetro Tiene una capacidad de carga máxima de 2000 N con un sistema de control de carga dinámica. El avanzado sistema neumático de carga por aire comprimido permite a los usuarios evaluar el comportamiento tribológico de un material bajo cargas normales elevadas, con la ventaja de amortiguar las vibraciones no deseadas que se producen durante el proceso de desgaste. Por lo tanto, la carga se mide directamente sin necesidad de resortes amortiguadores utilizados en diseños más antiguos. Un módulo de carga oscilante electromagnético paralelo aplica una oscilación bien controlada de la amplitud deseada hasta 20 N y una frecuencia de hasta 150 Hz.
La fricción se mide con gran precisión directamente a partir de la fuerza lateral aplicada al soporte superior. El desplazamiento se supervisa in situ, lo que proporciona información sobre la evolución del comportamiento de desgaste de las muestras de ensayo. El ensayo de desgaste bajo carga oscilante controlada también se puede realizar en entornos de corrosión, alta temperatura, humedad y lubricación para simular las condiciones de trabajo reales de las aplicaciones tribológicas. Una cámara de alta velocidad integrada perfilómetro sin contacto Mide automáticamente la morfología de la huella de desgaste y el volumen de desgaste en pocos segundos.
Objetivo de medición
En este estudio, mostramos la capacidad del tribómetro de carga dinámica Nanovea T2000 para estudiar el comportamiento tribológico de diferentes muestras de recubrimientos y metales en condiciones de carga oscilante controlada.
Procedimiento de ensayo
El comportamiento tribológico, por ejemplo, el coeficiente de fricción (COF) y la resistencia al desgaste de un recubrimiento resistente al desgaste de 300 µm de espesor, se evaluó y comparó mediante el tribómetro Nanovea T2000 con un tribómetro de carga muerta convencional utilizando una configuración de pin sobre disco según la norma ASTM G992.
Las muestras recubiertas con Cu y TiN por separado contra una bola de Al₂0₃ de 6 mm bajo oscilación controlada se evaluaron mediante el modo de tribología de carga dinámica del tribómetro Nanovea T2000.
Los parámetros de la prueba se resumen en la Tabla 1.
El perfilómetro 3D integrado, equipado con un sensor lineal, escanea automáticamente la huella de desgaste después de las pruebas, proporcionando la medición más precisa del volumen de desgaste en cuestión de segundos.
Resultados y debate
Sistema de carga neumático frente a sistema de carga muerta
Se compara el comportamiento tribológico de un recubrimiento resistente al desgaste utilizando el tribómetro Nanovea T2000 con un tribómetro convencional de carga muerta (DL). La evolución del COF del recubrimiento se muestra en la figura 2. Observamos que el recubrimiento presenta un valor de COF comparable de ~0,6 durante la prueba de desgaste. Sin embargo, los 20 perfiles transversales en diferentes ubicaciones de la pista de desgaste de la figura 3 indican que el recubrimiento sufrió un desgaste mucho más severo bajo el sistema de carga muerta.
El proceso de desgaste del sistema de carga muerta a alta carga y velocidad generó intensas vibraciones. La enorme presión concentrada en la superficie de contacto, combinada con una alta velocidad de deslizamiento, crea un peso y una vibración estructural considerables que aceleran el desgaste. El tribómetro de carga muerta convencional aplica la carga utilizando pesos de masa. Este método es fiable con cargas de contacto más bajas en condiciones de desgaste moderadas; sin embargo, en condiciones de desgaste agresivo con cargas y velocidades más altas, la vibración significativa hace que los pesos reboten repetidamente, lo que da lugar a una pista de desgaste irregular y a una evaluación tribológica poco fiable. La tasa de desgaste calculada es de 8,0±2,4 x 10-4 mm3/N m, lo que muestra una alta tasa de desgaste y una gran desviación estándar.
El tribómetro Nanovea T2000 está diseñado con un sistema de control dinámico de carga para amortiguar las oscilaciones. Aplica la carga normal con aire comprimido, lo que minimiza las vibraciones no deseadas que se producen durante el proceso de desgaste. Además, el control activo de carga en bucle cerrado garantiza que se aplique una carga constante durante toda la prueba de desgaste y que el palpador siga el cambio de profundidad de la pista de desgaste. Se mide un perfil de pista de desgaste significativamente más consistente, como se muestra en la figura 3a, lo que da como resultado una baja tasa de desgaste de 3,4 ± 0,5 x 10-4 mm3/N m.
El análisis de la huella de desgaste que se muestra en la figura 4 confirma que la prueba de desgaste realizada por el sistema de carga neumática de aire comprimido del tribómetro Nanovea T2000 crea una huella de desgaste más suave y uniforme en comparación con el tribómetro de carga muerta convencional. Además, el tribómetro Nanovea T2000 mide el desplazamiento del palpador durante el proceso de desgaste, lo que proporciona una visión más detallada del progreso del comportamiento del desgaste in situ.
Oscilación controlada sobre el desgaste de la muestra de cobre
El módulo electromagnético de carga oscilante paralela del tribómetro Nanovea T2000 permite a los usuarios investigar el efecto de las oscilaciones controladas de amplitud y frecuencia sobre el comportamiento de desgaste de los materiales. El COF de las muestras de cobre se registra in situ, como se muestra en la figura 6. La muestra de cobre presenta un COF constante de ~0,3 durante la primera medición de 330 revoluciones, lo que indica la formación de un contacto estable en la interfaz y una pista de desgaste relativamente suave. A medida que continúa la prueba de desgaste, la variación del COF indica un cambio en el mecanismo de desgaste. En comparación, las pruebas de desgaste bajo una oscilación controlada de 5 N de amplitud a 50 N muestran un comportamiento de desgaste diferente: el COF aumenta rápidamente al comienzo del proceso de desgaste y muestra una variación significativa a lo largo de la prueba de desgaste. Este comportamiento del COF indica que la oscilación impuesta en la carga normal influye en el estado de deslizamiento inestable en el contacto.
La figura 7 compara la morfología de la huella de desgaste medida por el perfilómetro óptico sin contacto integrado. Se puede observar que la muestra de Cu bajo una amplitud de oscilación controlada de 5 N presenta una huella de desgaste mucho mayor, con un volumen de 1,35 x 109 µm3, en comparación con los 5,03 x 108 µm3 sin oscilación impuesta. La oscilación controlada acelera significativamente la tasa de desgaste en un factor de ~2,7, lo que demuestra el efecto crítico de la oscilación en el comportamiento del desgaste.
Oscilación controlada sobre el desgaste del recubrimiento de TiN
El COF y las huellas de desgaste de la muestra con recubrimiento de TiN se muestran en la Fig. 8. El recubrimiento de TiN muestra comportamientos de desgaste significativamente diferentes bajo oscilación, como lo indica la evolución del COF durante las pruebas. El recubrimiento de TiN muestra un COF constante de ~0,3 tras el periodo de rodaje al comienzo de la prueba de desgaste, debido al contacto deslizante estable en la interfaz entre el recubrimiento de TiN y la bola de Al₂O₃. Sin embargo, cuando el recubrimiento de TiN comienza a fallar, la bola de Al₂O₃ penetra a través del recubrimiento y se desliza contra el sustrato de acero nuevo que se encuentra debajo. Al mismo tiempo, se genera una cantidad significativa de residuos del recubrimiento duro de TiN en la huella de desgaste, lo que convierte un desgaste por deslizamiento estable de dos cuerpos en un desgaste por abrasión de tres cuerpos. Este cambio en las características del par de materiales provoca un aumento de las variaciones en la evolución del COF. La oscilación impuesta de 5 N y 10 N acelera el fallo del recubrimiento de TiN de ~400 revoluciones a menos de 100 revoluciones. Las pistas de desgaste más grandes en las muestras de recubrimiento de TiN después de las pruebas de desgaste bajo la oscilación controlada concuerdan con dicho cambio en el COF.
Conclusión
El avanzado sistema de carga neumática del tribómetro Nanovea T2000 posee una ventaja intrínseca como amortiguador de vibraciones naturalmente rápido en comparación con los sistemas tradicionales de carga muerta. Esta ventaja tecnológica de los sistemas neumáticos es evidente en comparación con los sistemas de control de carga que utilizan una combinación de servomotores y resortes para aplicar la carga. La tecnología garantiza una evaluación del desgaste fiable y mejor controlada con cargas elevadas, como se demuestra en este estudio. Además, el sistema de carga de bucle cerrado activo puede cambiar la carga normal a un valor deseado durante las pruebas de desgaste para simular aplicaciones reales observadas en los sistemas de frenos.
En lugar de sufrir la influencia de condiciones de vibración incontroladas durante las pruebas, hemos demostrado que el tribómetro de carga dinámica Nanovea T2000 permite a los usuarios evaluar cuantitativamente el comportamiento tribológico de los materiales en diferentes condiciones de oscilación controladas. Las vibraciones desempeñan un papel importante en el comportamiento de desgaste de las muestras de recubrimientos metálicos y cerámicos.
El módulo de carga oscilante con electroimán paralelo proporciona oscilaciones controladas con precisión a amplitudes y frecuencias establecidas, lo que permite a los usuarios simular el proceso de desgaste en condiciones reales, en las que las vibraciones ambientales suelen ser un factor importante. En presencia de oscilaciones impuestas durante el desgaste, tanto las muestras con recubrimiento de Cu como las de TiN muestran un aumento sustancial de la tasa de desgaste. La evolución del coeficiente de fricción y el desplazamiento del palpador medidos in situ son indicadores importantes del rendimiento del material durante las aplicaciones tribológicas. El perfilómetro 3D sin contacto integrado ofrece una herramienta para medir con precisión el volumen de desgaste y analizar la morfología detallada de las huellas de desgaste en segundos, lo que proporciona una mayor comprensión del mecanismo de desgaste.
El T2000 está equipado con un motor autoajustable, de alta calidad y alto par, con una velocidad interna de 20 bits y un codificador de posición externo de 16 bits. Esto permite al tribómetro proporcionar un rango inigualable de velocidades de rotación, desde 0,01 hasta 5000 rpm, que pueden cambiar en saltos escalonados o a velocidades continuas. A diferencia de los sistemas que utilizan un sensor de par situado en la parte inferior, el tribómetro Nanovea utiliza una célula de carga de alta precisión situada en la parte superior para medir con precisión y por separado las fuerzas de fricción.
Los tribómetros Nanovea ofrecen pruebas de desgaste y fricción precisas y repetibles utilizando modos rotativos y lineales que cumplen con las normas ISO y ASTM (incluidas pruebas de 4 bolas, arandelas de empuje y bloques sobre anillos), con módulos opcionales de desgaste a alta temperatura, lubricación y tribocorrosión disponibles en un sistema preintegrado. La inigualable gama de Nanovea T2000 es una solución ideal para determinar todas las propiedades tribológicas de recubrimientos, películas y sustratos delgados o gruesos, blandos o duros.
Análisis de la textura de la piel de naranja de la pintura mediante perfilometría 3D
Análisis de la textura de la piel de naranja de la pintura mediante perfilometría 3D
Introducción
El tamaño y la frecuencia de las estructuras superficiales de los sustratos afectan a la calidad de los recubrimientos brillantes. La textura de piel de naranja de la pintura, llamada así por su aspecto, puede desarrollarse debido a la influencia del sustrato y a la técnica de aplicación de la pintura. Los problemas de textura se cuantifican normalmente por la ondulación, la longitud de onda y el efecto visual que tienen en los recubrimientos brillantes. Las texturas más pequeñas provocan una reducción del brillo, mientras que las más grandes provocan ondulaciones visibles en la superficie recubierta. Comprender el desarrollo de estas texturas y su relación con los sustratos y las técnicas es fundamental para el control de calidad.
Importancia de la perfilometría para la medición de la textura
A diferencia de los instrumentos 2D tradicionales utilizados para medir la textura del brillo, la medición 3D sin contacto proporciona rápidamente una imagen 3D que se utiliza para comprender las características de la superficie, con la capacidad añadida de investigar rápidamente las áreas de interés. Sin la velocidad y la revisión 3D, un entorno de control de calidad dependería únicamente de información 2D que ofrece poca previsibilidad de toda la superficie. Comprender las texturas en 3D permite seleccionar las mejores medidas de procesamiento y control. Garantizar el control de calidad de dichos parámetros depende en gran medida de una inspección cuantificable, reproducible y confiable. Nanovea 3D sin contacto Perfilómetros Utilizan tecnología confocal cromática para ofrecer la capacidad única de medir los ángulos pronunciados que se encuentran durante las mediciones rápidas. Los perfilómetros Nanovea tienen éxito donde otras técnicas no logran proporcionar datos confiables debido al contacto de la sonda, la variación de la superficie, el ángulo o la reflectividad.
Objetivo de medición
En esta aplicación, el Nanovea HS2000L mide la textura de piel de naranja de una pintura brillante. Hay un sinfín de parámetros superficiales que se calculan automáticamente a partir del escaneo 3D de la superficie. Aquí analizamos una superficie 3D escaneada cuantificando las características de la textura de piel de naranja de la pintura.
Resultados y debate
El Nanovea HS2000L cuantificó los parámetros de isotropía y altura de la pintura con textura de piel de naranja. La textura de piel de naranja cuantificó la dirección aleatoria del patrón con una isotropía de 94,41 TP3T. Los parámetros de altura cuantifican la textura con una diferencia de altura de 24,84 µm.
La curva de relación de rodamiento de la figura 4 es una representación gráfica de la distribución de profundidad. Se trata de una función interactiva del software que permite al usuario ver las distribuciones y los porcentajes a diferentes profundidades. El perfil extraído de la figura 5 proporciona valores útiles de rugosidad para la textura de piel de naranja. La extracción de picos por encima de un umbral de 144 micras muestra la textura de piel de naranja. Estos parámetros se pueden ajustar fácilmente a otras áreas o parámetros de interés.
Conclusión
En esta aplicación, el perfilómetro 3D sin contacto Nanovea HS2000L caracteriza con precisión tanto la topografía como los detalles nanométricos de la textura de piel de naranja de la pintura sobre un recubrimiento brillante. Las áreas de interés de las mediciones de superficie 3D se identifican y analizan rápidamente con muchas mediciones útiles (dimensión, rugosidad, textura de acabado, forma, topografía, planitud, deformación, planaridad, volumen, área, altura de escalón, etc.). Las secciones transversales 2D seleccionadas rápidamente proporcionan un conjunto completo de recursos de medición de la superficie sobre la textura brillante. Las áreas de interés especiales se pueden analizar más a fondo con un módulo AFM integrado. La velocidad del perfilómetro 3D Nanovea oscila entre <1 mm/s y 500 mm/s, lo que lo hace adecuado tanto para aplicaciones de investigación como para las necesidades de inspección de alta velocidad. Los perfilómetros 3D Nanovea tienen una amplia gama de configuraciones para adaptarse a su aplicación.
