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Archivos mensuales: julio 2021

El mejor comprobador micromecánico del mundo

AHORA EL LÍDER MUNDIAL

ENSAYOS MICROMECÁNICOS

Preparado por

PIERRE LEROUX y DUANJIE LI, PhD

INTRODUCCIÓN

Los Microdurómetros Vickers estándar tienen rangos de carga utilizables de 10 a 2000 gramos de fuerza (gf). Los Macro Durómetros Vickers estándar cargan de 1 a 50 Kgf. Estos instrumentos no sólo son muy limitados en el rango de cargas, sino que también son inexactos cuando se trata de superficies más rugosas o cargas bajas cuando los indents se vuelven demasiado pequeños para ser medidos visualmente. Estas limitaciones son intrínsecas a la tecnología más antigua y, como resultado, la indentación instrumentada se está convirtiendo en la elección estándar debido a la mayor precisión y rendimiento que aporta.

Con NANOVEA es líder mundial en sistemas de ensayos micro mecánicos, la dureza Vickers se calcula automáticamente a partir de datos de profundidad versus carga con el rango de carga más amplio en un solo módulo jamás disponible (0,3 gramos a 2 Kg o 6 gramos a 40 Kg). Dado que mide la dureza a partir de curvas de profundidad frente a carga, el módulo NANOVEA Micro puede medir cualquier tipo de materiales, incluidos los muy elásticos. También puede proporcionar no sólo la dureza Vickers, sino también un módulo elástico preciso y datos de fluencia, además de otros tipos de pruebas, tales como pruebas de adherencia al rayado, desgaste, pruebas de fatiga, límite elástico y tenacidad a la fractura para una gama completa de datos de control de calidad.

AHORA EL LÍDER MUNDIAL EN ENSAYOS MICROMECÁNICOS

En esta nota de aplicación, se explicará cómo se ha diseñado el Micro Module para ofrecer los ensayos instrumentados de indentación y rayado líderes en el mundo. La capacidad de ensayo de amplio rango del Micro Module es ideal para muchas aplicaciones. Por ejemplo, el rango de carga permite realizar mediciones precisas de la dureza y el módulo elástico de revestimientos duros finos y, a continuación, puede aplicar cargas mucho mayores para medir la adherencia de estos mismos revestimientos.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

La capacidad del micromódulo se muestra con el NANOVEA CB500 Comprobador mecánico por
realizar ensayos tanto de indentación como de rayado con una precisión y fiabilidad superiores utilizando un amplio rango de carga de 0,03 a 200 N.

NANOVEA

CB500

SABER MÁS

CONDICIONES DE ENSAYO

Se realizó una serie (3×4, 12 indentaciones en total) de microindentaciones en una muestra de acero estándar utilizando un indentador Vickers. Se midieron y registraron la carga y la profundidad durante todo el ciclo de ensayo de indentación. Las indentaciones se realizaron con diferentes cargas máximas que oscilaban entre 0,03 N y 200 N (0,0031 y 20,4 kgf) para demostrar la capacidad del micromódulo para realizar ensayos de indentación precisos con diferentes cargas. Cabe señalar que también se dispone de una célula de carga opcional de 20 N que proporciona una resolución 10 veces superior para ensayos en el rango de carga inferior, desde 0,3 gf hasta 2 kgf.

Se realizaron dos ensayos de rayado utilizando el módulo Micro con carga linealmente creciente de 0,01 N a 200 N y de 0,01 N a 0,5 N, respectivamente, utilizando palpadores de diamante cónico-esféricos con radios de punta de 500 μm y 20 μm.

Veinte Microindentación se llevaron a cabo ensayos en la muestra estándar de acero a 4 N mostrando la superior repetibilidad de los resultados del Micro Módulo que contrasta con el rendimiento de los durómetros Vickers convencionales.

*microindentador en la muestra de acero

PARÁMETROS DE PRUEBA

de la cartografía de sangría

MAPEO: 3 POR 4 INDENTOS

RESULTADOS Y DEBATE

El nuevo Micro Módulo tiene una combinación única de motor Z, célula de carga de alta fuerza y un sensor de profundidad capacitivo de alta precisión. La utilización exclusiva de sensores de profundidad y carga independientes garantiza una gran precisión en todas las condiciones.

Los ensayos de dureza Vickers convencionales utilizan puntas de indentadores piramidales con base cuadrada de diamante que crean indentaciones de forma cuadrada. Midiendo la longitud media de la diagonal, d, se puede calcular la dureza Vickers.

En comparación, la técnica de indentación instrumentada utilizada por NANOVEAmide directamente las propiedades mecánicas a partir de las mediciones de carga y desplazamiento de la indentación. No es necesaria la observación visual de la indentación. Esto elimina los errores de procesamiento de imágenes del usuario o del ordenador en la determinación de los valores d de la indentación. El sensor de profundidad de condensador de alta precisión, con un nivel de ruido muy bajo de 0,3 nm, puede medir con precisión la profundidad de indentaciones que son difíciles o imposibles de medir visualmente al microscopio con los durómetros Vickers tradicionales.

Además, la técnica en voladizo utilizada por los competidores aplica la carga normal sobre una viga en voladizo mediante un muelle, y esta carga se aplica a su vez sobre el penetrador. Este diseño presenta un defecto en caso de que se aplique una carga elevada: la viga en voladizo no puede proporcionar suficiente rigidez estructural, lo que provoca la deformación de la viga en voladizo y, a su vez, la desalineación del penetrador. En comparación, el micromódulo aplica la carga normal a través del motor Z que actúa sobre la célula de carga y, a continuación, sobre el penetrador para la aplicación directa de la carga. Todos los elementos están alineados verticalmente para obtener la máxima rigidez, lo que garantiza mediciones de indentación y rayado repetibles y precisas en todo el rango de carga.

Primer plano del nuevo micromódulo

INDENTACIÓN DE 0,03 A 200 N

La imagen del mapa de indentaciones se muestra en la FIGURA 1. La distancia entre las dos muescas adyacentes por encima de 10 N es de 0,5 mm, mientras que a cargas inferiores es de 0,25 mm. El control de posición de alta precisión de la platina de muestra permite a los usuarios seleccionar la ubicación objetivo para el mapeo de las propiedades mecánicas. Gracias a la excelente rigidez del micromódulo debida a la alineación vertical de sus componentes, el penetrador Vickers mantiene una orientación vertical perfecta mientras penetra en la muestra de acero bajo una carga de hasta 200 N (400 N opcional). Esto crea impresiones de forma cuadrada simétrica en la superficie de la muestra con diferentes cargas.

Las indentaciones individuales a diferentes cargas bajo el microscopio se muestran junto a los dos arañazos como se muestra en la FIGURA 2, para mostrar la capacidad del nuevo micromódulo en la realización de ensayos tanto de indentación como de rayado en un amplio rango de carga con una alta precisión. Como se muestra en los gráficos de carga normal frente a la longitud del rayado, la carga normal aumenta linealmente a medida que el palpador de diamante cónico-esférico se desliza sobre la superficie de la muestra de acero. Crea una pista de rayado lisa y recta de anchura y profundidad progresivamente mayores.

FIGURA 1: Mapa de sangría

Se realizaron dos ensayos de rayado utilizando el módulo Micro con carga linealmente creciente de 0,01 N a 200 N y de 0,01 N a 0,5 N, respectivamente, utilizando palpadores de diamante cónico-esféricos con radios de punta de 500 μm y 20 μm.

Se llevaron a cabo veinte ensayos de microindentación en la muestra estándar de acero a 4 N, demostrando la repetibilidad superior de los resultados del módulo Micro, que contrasta con el rendimiento de los durómetros Vickers convencionales.

A: HENDIDURA Y ARAÑAZO AL MICROSCOPIO (360X)

B: INDENTACIÓN Y RAYADO AL MICROSCOPIO (3000X)

FIGURA 2: Gráficos de carga vs desplazamiento con diferentes cargas máximas.

Las curvas carga-desplazamiento durante la indentación a diferentes cargas máximas se muestran en FIGURA 3. La dureza y el módulo elástico se resumen y comparan en la FIGURA 4. La muestra de acero exhibe un módulo elástico constante a lo largo de la carga de ensayo que oscila entre 0,03 y 200 N (rango posible de 0,003 a 400 N), lo que resulta en un valor medio de ~211 GPa. La dureza muestra un valor relativamente constante de ~6,5 GPa medido con una carga máxima superior a 100 N. A medida que la carga disminuye hasta un rango de 2 a 10 N, se mide una dureza media de ~9 GPa.

FIGURA 3: Gráficos de carga vs desplazamiento con diferentes cargas máximas.

FIGURA 4: Dureza y módulo de Young de la muestra de acero medidos con diferentes cargas máximas.

INDENTACIÓN DE 0,03 A 200 N

Se realizaron 20 ensayos de microindentación con una carga máxima de 4N. Las curvas carga-desplazamiento se muestran en FIGURA 5 y la dureza Vickers y el módulo de Young resultantes se muestran en FIGURA 6.

FIGURA 5: Curvas carga-desplazamiento de los ensayos de microindentación a 4 N.

FIGURA 6: Dureza Vickers y módulo de Young para 20 microindentaciones a 4 N.

Las curvas carga-desplazamiento demuestran la superior repetibilidad del nuevo Micro Módulo. El patrón de acero posee una dureza Vickers de 842±11 HV medida con el nuevo Micro Módulo, en comparación con los 817±18 HV medidos con el durómetro Vickers convencional. La pequeña desviación estándar de la medición de la dureza garantiza una caracterización fiable y reproducible de las propiedades mecánicas en la I+D y el control de calidad de los materiales, tanto en el sector industrial como en la investigación académica.

Además, se calcula un módulo de Young de 208±5 GPa a partir de la curva carga-desplazamiento, que no está disponible para el durómetro Vickers convencional debido a la falta de medición de la profundidad durante la indentación. A medida que disminuye la carga y el tamaño de la indentación, el NANOVEA Las ventajas del micromódulo en términos de repetibilidad en comparación con los durómetros Vickers aumentan hasta que ya no es posible medir la sangría mediante inspección visual.

La ventaja de medir la profundidad para calcular la dureza también se hace evidente cuando se trata de muestras más rugosas o más difíciles de observar con los microscopios estándar de los durómetros Vickers.

CONCLUSIÓN

En este estudio, hemos demostrado cómo el nuevo módulo NANOVEA Micro, líder mundial (rango de 200 N), realiza mediciones de indentación y rayado inigualables, reproducibles y precisas, en un amplio rango de carga de 0,03 a 200 N (3 gf a 20,4 kgf). Un módulo Micro opcional de rango inferior puede realizar ensayos de 0,003 a 20 N (0,3 gf a 2 kgf). La exclusiva alineación vertical del motor Z, la célula de carga de alta fuerza y el sensor de profundidad garantiza la máxima rigidez estructural durante las mediciones. Todas las indentaciones medidas con diferentes cargas poseen una forma cuadrada simétrica en la superficie de la muestra. En el ensayo de rayado con una carga máxima de 200 N se crea una huella de rayado recta de anchura y profundidad progresivamente mayores.

El nuevo micromódulo puede configurarse sobre la base mecánica PB1000 (150 x 200 mm) o la CB500 (100 x 50 mm) con motorización z (alcance de 50 mm). Combinado con un potente sistema de cámara (precisión de posición de 0,2 micras), los sistemas proporcionan las mejores capacidades de automatización y mapeo del mercado. NANOVEA también ofrece una función patentada única (EP No. 30761530) que permite la verificación y calibración de los penetradores Vickers mediante la realización de un único penetrador en todo el rango de cargas. Por el contrario, los durómetros Vickers estándar sólo pueden proporcionar calibración con una carga.

Además, el software NANOVEA permite al usuario medir la dureza Vickers a través del método tradicional de medición de las diagonales de indentación si es necesario (para ASTM E92 y E384). Como se muestra, en este documento, los ensayos de dureza profundidad versus carga (ASTM E2546 e ISO 14577) realizados por un Micro Módulo NANOVEA son precisos y reproducibles en comparación con los Durómetros Tradicionales. Especialmente para muestras que no pueden ser observadas/medidas con un microscopio.

En conclusión, la mayor precisión y repetibilidad del diseño del Micromódulo con su amplia gama de cargas y ensayos, alta automatización y opciones de mapeo deja obsoletos a los durómetros Vickers tradicionales. Pero lo mismo ocurre con los durómetros de rayado y micro rayado que aún se ofrecen en la actualidad pero que fueron diseñados con defectos en la década de 1980.

El desarrollo y la mejora continuos de esta tecnología convierten a NANOVEA en líder mundial en ensayos micromecánicos.

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