Importancia de la nanoindentación

Mediciones continuas de la rigidez (CSM) obtenidas mediante nanoindentación revela la relación tensión-deformación de los materiales con métodos mínimamente invasivos. A diferencia de los métodos tradicionales de ensayo de tracción, la nanoindentación proporciona datos de tensión-deformación a escala nanométrica sin necesidad de un gran instrumento. La curva tensión-deformación proporciona información crucial sobre el umbral entre el comportamiento elástico y plástico a medida que la muestra se somete a cargas crecientes. El CSM permite determinar el límite elástico de un material sin necesidad de equipos peligrosos.

La nanoindentación proporciona un método fiable y fácil de usar para investigar rápidamente los datos de tensión-deformación. Además, la medición del comportamiento de la tensión-deformación en la nanoescala permite estudiar propiedades importantes en pequeños revestimientos y partículas de los materiales a medida que éstos avanzan. La nanoindentación proporciona información sobre el límite elástico y el límite de fluencia, además de la dureza, el módulo elástico, la fluencia, la resistencia a la fractura, etc., lo que la convierte en un instrumento de metrología versátil.

Los datos de tensión-deformación proporcionados por la nanoindentación en este estudio identifican el límite elástico del material al adentrarse sólo 1,2 micras en la superficie. Utilizamos el CSM para determinar cómo se desarrollan las propiedades mecánicas de los materiales a medida que el penetrador se adentra en la superficie. Esto es especialmente útil en aplicaciones de películas finas, donde las propiedades pueden depender de la profundidad. La nanoindentación es un método mínimamente invasivo para confirmar las propiedades de los materiales en las muestras de ensayo.

El ensayo CSM es útil para medir las propiedades del material en función de la profundidad. Se pueden realizar ensayos cíclicos con cargas constantes para determinar las propiedades más complejas del material. Esto puede ser útil para estudiar la fatiga o eliminar el efecto de la porosidad para obtener el verdadero módulo elástico.

Objetivo de medición

En esta aplicación, el probador mecánico Nanovea utiliza CSM para estudiar la dureza y el módulo elástico frente a la profundidad y los datos de tensión-deformación en una muestra de acero estándar. Se eligió el acero por sus características comúnmente reconocidas para mostrar el control y la precisión de los datos de tensión-deformación a nanoescala. Se utilizó una punta esférica con un radio de 5 micras para alcanzar tensiones suficientemente altas más allá del límite elástico del acero.

Condiciones y procedimientos de prueba

Se utilizaron los siguientes parámetros de indentación:

Resultados:

El aumento de la carga durante las oscilaciones proporciona la siguiente curva de profundidad frente a la carga. Se realizaron más de 100 oscilaciones durante la carga para encontrar los datos de tensión-deformación a medida que el penetrador penetra en el material.

Determinamos la tensión y la deformación a partir de la información obtenida en cada ciclo. La carga y la profundidad máximas en cada ciclo nos permiten calcular la tensión máxima aplicada en cada ciclo al material. La deformación se calcula a partir de la profundidad residual en cada ciclo a partir de la descarga parcial. Esto nos permite calcular el radio de la huella residual dividiendo el radio de la punta para obtener el factor de deformación. El trazado de la tensión frente a la deformación del material muestra las zonas elástica y plástica con la correspondiente tensión límite elástica. Nuestras pruebas determinaron que la transición entre las zonas elástica y plástica del material se sitúa en torno a 0,076 de tensión con un límite elástico de 1,45 GPa.

Cada ciclo actúa como una única muesca, de modo que a medida que aumentamos la carga, realizamos pruebas a varias profundidades controladas en el acero. Así, la dureza y el módulo elástico en función de la profundidad pueden representarse directamente a partir de los datos obtenidos para cada ciclo.

A medida que el indentador se adentra en el material, vemos que la dureza aumenta y el módulo elástico disminuye.

Conclusión:

Hemos demostrado que el probador mecánico Nanovea proporciona datos fiables de tensión-deformación. El uso de una punta esférica con indentación CSM permite la medición de las propiedades del material bajo una mayor tensión. La carga y el radio del indentador pueden cambiarse para probar diversos materiales a profundidades controladas. Los comprobadores mecánicos Nanovea proporcionan estos ensayos de indentación desde el rango sub mN hasta 400N.