Importancia de la nanoindentación

Mediciones continuas de 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 utilizar instrumentos de gran tamaño. La curva tensión-deformación proporciona información crucial sobre el umbral entre el comportamiento elástico y el plástico a medida que la muestra se somete a cargas cada vez mayores. CSM ofrece la posibilidad de determinar el límite elástico de un material sin necesidad de utilizar equipos peligrosos.

La nanoindentación ofrece un método confiable y fácil de usar para investigar rápidamente los datos de tensión-deformación. Además, la medición del comportamiento de tensión-deformación a escala nanométrica permite estudiar propiedades importantes en recubrimientos y partículas pequeñas en materiales a medida que estos se vuelven más avanzados. La nanoindentación proporciona información sobre el límite elástico y el límite elástico, 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 con solo penetrar 1,2 micras en la superficie. Utilizamos CSM para determinar cómo se desarrollan las propiedades mecánicas de los materiales a medida que el indentador se adentra más en la superficie. Esto resulta especialmente útil en aplicaciones de películas delgadas, donde las propiedades pueden depender de la profundidad. La nanoindentación es un método mínimamente invasivo para confirmar las propiedades de los materiales en muestras de prueba.

La prueba CSM es útil para medir las propiedades de los materiales en función de la profundidad. Se pueden realizar pruebas cíclicas con cargas constantes para determinar propiedades más complejas de los materiales. Esto puede ser útil para estudiar la fatiga o eliminar el efecto de la porosidad y obtener el módulo de elasticidad real.

Objetivo de medición

En esta aplicación, el probador mecánico Nanovea utiliza CSM para estudiar la dureza y el módulo de elasticidad en función de 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 sangría:

Resultados:

El aumento de la carga durante las oscilaciones proporciona la siguiente curva de profundidad frente a carga. Se realizaron más de 100 oscilaciones durante la carga para obtener los datos de tensión-deformación a medida que el penetrador penetraba 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. Al trazar la tensión frente a la deformación del material, se muestran las zonas elásticas y plásticas con la tensión límite elástica correspondiente. Nuestras pruebas determinaron que la transición entre las zonas elástica y plástica del material se sitúa en torno a una deformación de 0,076, con un límite elástico de 1,45 GPa.

Cada ciclo actúa como una sola hendidura, por lo que, a medida que aumentamos la carga, realizamos pruebas a varias profundidades controladas en el acero. Así, la dureza y el módulo de elasticidad en función de la profundidad se pueden representar gráficamente directamente a partir de los datos obtenidos para cada ciclo.

A medida que el penetrador se adentra en el material, observamos un aumento de la dureza y una disminución del módulo de elasticidad.

Conclusión

Hemos demostrado que el medidor mecánico Nanovea proporciona datos fiables sobre tensión-deformación. El uso de una punta esférica con indentación CSM permite medir las propiedades del material bajo una tensión mayor. La carga y el radio del indentador se pueden modificar para probar diversos materiales a profundidades controladas. Los medidores mecánicos Nanovea realizan estas pruebas de indentación desde el rango sub mN hasta 400 N.