Propiedades mecánicas del hidrogel

PROPIEDADES MECÁNICAS DEL HIDROGEL

USO DE LA NANOINDENTACIÓN

Preparado por

DUANJIE LI, Doctor y JORGE RAMÍREZ

INTRODUCCIÓN

El hidrogel es conocido por su gran capacidad de absorción de agua, lo que le permite tener una flexibilidad muy similar a la de los tejidos naturales. Esta similitud ha convertido al hidrogel en una opción habitual no solo en biomateriales, sino también en aplicaciones electrónicas, medioambientales y de bienes de consumo, como las lentes de contacto. Cada aplicación específica requiere propiedades mecánicas concretas del hidrogel.

IMPORTANCIA DE LA NANOINDENTACIÓN PARA EL HIDROGEL

Los hidrogeles plantean retos únicos para la nanoindentación, como la selección de los parámetros de prueba y la preparación de las muestras. Muchos sistemas de nanoindentación tienen limitaciones importantes, ya que no fueron diseñados originalmente para materiales tan blandos. Algunos de los sistemas de nanoindentación utilizan un conjunto de bobina/imán para aplicar fuerza sobre la muestra. No se realiza una medición real de la fuerza, lo que da lugar a una carga inexacta y no lineal al realizar ensayos con materiales blandos. materiales. Determinar el punto de contacto es extremadamente difícil, ya que el La profundidad es el único parámetro que realmente se mide. Es casi imposible observar el cambio de pendiente en el Profundidad frente a tiempo trama durante el período en el que la punta del penetrador se aproxima al material hidrogel.

Con el fin de superar las limitaciones de estos sistemas, el nanomódulo del NANOVEA Comprobador mecánico mide la retroalimentación de fuerza con una célula de carga individual para garantizar una alta precisión en todo tipo de materiales, ya sean blandos o duros. El desplazamiento controlado por piezoeléctricos es extremadamente preciso y rápido. Esto permite una medición inigualable de las propiedades viscoelásticas, ya que elimina muchas suposiciones teóricas que deben tener en cuenta los sistemas con un conjunto de bobina/imán y sin retroalimentación de fuerza.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

En esta aplicación, el NANOVEA El probador mecánico, en modo nanoindentación, se utiliza para estudiar la dureza, el módulo elástico y la fluencia de una muestra de hidrogel.

NANOVEA PB1000 Comprobador mecánico

CONDICIONES DE ENSAYO

Se analizó una muestra de hidrogel colocada sobre un portaobjetos de vidrio mediante la técnica de nanoindentación utilizando un NANOVEA Probador mecánico. Para este material blando se utilizó una punta esférica de 3 mm de diámetro. La carga aumentó linealmente de 0,06 a 10 mN durante el periodo de carga. A continuación, se midió la fluencia mediante el cambio de la profundidad de la indentación a la carga máxima de 10 mN durante 70 segundos.

VELOCIDAD DE APROXIMACIÓN: 100 μm/min

CARGA DE CONTACTO

0,06 mN

CARGA MÁXIMA

10 mN

VELOCIDAD DE CARGA

20 mN/min

CREEP

70 s

RESULTADOS Y DEBATE

La evolución de la carga y la profundidad en función del tiempo se muestra en FIGURA 1. Se puede observar que en el gráfico de la Profundidad frente a tiempo, es muy difícil determinar el punto de cambio de pendiente al inicio del periodo de carga, que suele servir como indicación del momento en que el penetrador comienza a entrar en contacto con el material blando. Sin embargo, el gráfico de la Carga frente a tiempo muestra el comportamiento peculiar del hidrogel bajo una carga aplicada. Cuando el hidrogel comienza a entrar en contacto con el penetrador de bola, el hidrogel tira del penetrador debido a su tensión superficial, que tiende a disminuir el área superficial. Este comportamiento da lugar a una carga medida negativa al comienzo de la etapa de carga. La carga aumenta progresivamente a medida que el penetrador se hunde en el hidrogel, y luego se controla para que se mantenga constante a la carga máxima de 10 mN durante 70 segundos para estudiar el comportamiento de fluencia del hidrogel.

FIGURA 1: Evolución de la carga y la profundidad en función del tiempo.

La trama de la Profundidad de fluencia frente al tiempo se muestra en FIGURA 2, y el Carga frente a desplazamiento El gráfico de la prueba de nanoindentación se muestra en FIGURA 3. El hidrogel utilizado en este estudio tiene una dureza de 16,9 kPa y un módulo de Young de 160,2 kPa, calculados a partir de la curva de desplazamiento de carga utilizando el método Oliver-Pharr.

La fluencia es un factor importante para el estudio de las propiedades mecánicas de un hidrogel. El control de retroalimentación de bucle cerrado entre el piezoeléctrico y la célula de carga ultrasensible garantiza una carga constante real durante el tiempo de fluencia a la carga máxima. Como se muestra en FIGURA 2, El hidrogel se hunde ~42 μm como resultado de la fluencia en 70 segundos bajo la carga máxima de 10 mN aplicada por la punta de bola de 3 mm.

FIGURA 2: Desplazamiento lento con una carga máxima de 10 mN durante 70 segundos.

FIGURA 3: Gráfico de carga frente a desplazamiento del hidrogel.

CONCLUSIÓN

En este estudio, demostramos que el NANOVEA El probador mecánico, en modo nanoindentación, proporciona una medición precisa y repetible de las propiedades mecánicas de un hidrogel, incluyendo la dureza, el módulo de Young y la fluencia. La punta de bola grande de 3 mm garantiza un contacto adecuado con la superficie del hidrogel. La plataforma motorizada de alta precisión permite posicionar con precisión la cara plana de la muestra de hidrogel bajo la punta de bola. El hidrogel de este estudio presenta una dureza de 16,9 KPa y un módulo de Young de 160,2 KPa. La profundidad de fluencia es de ~42 μm bajo una carga de 10 mN durante 70 segundos.

NANOVEA Los probadores mecánicos ofrecen módulos nano y micro multifuncionales sin igual en una sola plataforma. Ambos módulos incluyen un probador de rayaduras, un probador de dureza y un modo de probador de desgaste, lo que ofrece la gama de pruebas más amplia y fácil de usar disponible en un solo dispositivo.
sistema.

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Pruebas de desgaste del pistón

PRUEBAS DE DESGASTE DE PISTONESUTILIZANDO EL TRIBÓMETRO NANOVEA

Preparado por

FRANK LIU

¿Qué es la prueba de desgaste de pistones?

Las pruebas de desgaste de pistones evalúan la fricción, la lubricación y la durabilidad de los materiales entre las faldas de pistón y las camisas de cilindro en condiciones controladas de laboratorio. Utilizando un tribómetroLos ingenieros pueden reproducir el movimiento alternativo real y medir con precisión el coeficiente de fricción, la tasa de desgaste y la topografía de la superficie en 3D. Estos resultados proporcionan información clave sobre el comportamiento tribológico de los revestimientos, lubricantes y aleaciones utilizados en los pistones de los motores, ayudando a optimizar el rendimiento, la eficiencia del combustible y la fiabilidad a largo plazo.

Esquema del sistema de cilindros de potencia e interfaces falda del pistón-lubricante-guarnición del cilindro.

💡 ¿Desea cuantificar la tasa de desgaste y la fricción de sus propias muestras? Solicite una prueba tribológica personalizada adaptada a su aplicación.

Por qué son importantes las pruebas de desgaste del pistón en el desarrollo de motores

El aceite de motor es un lubricante bien diseñado para su aplicación. Además del aceite base, se añaden aditivos como detergentes, dispersantes, mejoradores de la viscosidad (VI), agentes antidesgaste/antifricción e inhibidores de la corrosión para mejorar su rendimiento. Estos aditivos afectan al comportamiento del aceite en diferentes condiciones de funcionamiento. El comportamiento del aceite afecta a las interfaces P-L-C y determina si se produce un desgaste significativo por contacto metal-metal o si se produce lubricación hidrodinámica (muy poco desgaste).

Es difícil comprender las interfaces P-L-C sin aislar la zona de las variables externas. Resulta más práctico simular el suceso con condiciones representativas de su aplicación en la vida real. El sitio NANOVEA Tribometer es ideal para ello. Equipado con múltiples sensores de fuerza, sensor de profundidad, un módulo de lubricante gota a gota y una etapa lineal alternativa, el NANOVEA T2000 es capaz de imitar de cerca los acontecimientos que se producen en el interior de un bloque motor y obtener datos valiosos para comprender mejor las interfaces P-L-C.

Módulo de líquido en el tribómetro NANOVEA T2000

El módulo gota a gota es crucial para este estudio. Dado que los pistones pueden moverse a gran velocidad (más de 3.000 rpm), es difícil crear una fina película de lubricante sumergiendo la muestra. Para solucionar este problema, el módulo gota a gota es capaz de aplicar una cantidad constante de lubricante sobre la superficie de la falda del pistón.

La aplicación de lubricante fresco también elimina la preocupación de que los contaminantes de desgaste desalojados influyan en las propiedades del lubricante.

Cómo simulan los tribómetros
Desgaste real de la camisa del pistón

En este informe se estudiarán las interfaces falda del pistón-lubricante- camisa del cilindro. Las interfaces se reproducirán mediante la realización de un movimiento alternativo lineal. prueba de desgaste con módulo de lubricante gota a gota.

El lubricante se aplicará a temperatura ambiente y en condiciones de calentamiento para comparar el arranque en frío y las condiciones óptimas de funcionamiento. Se observará el COF y la tasa de desgaste para comprender mejor cómo se comportan las interfaces en aplicaciones reales.

NANOVEA T2000
Tribómetro de alta carga

Parámetros y configuración de la prueba de desgaste del pistón

CARGAR ............................ 100 N

DURACIÓN DE LA PRUEBA ............................ 30 minutos

VELOCIDAD ............................ 2000 rpm

AMPLITUD ............................ 10 mm

DISTANCIA TOTAL ............................ 1200 m

REVESTIMIENTO DE LA FALDA ............................ Moly-grafito

PIN MATERIAL ............................ Aleación de aluminio 5052

DIÁMETRO DEL PIN ............................ 10 mm

LUBRICANTE ............................ Aceite de motor (10W-30)

CAUDAL APROX. CAUDAL ............................ 60 mL/min

TEMPERATURA ............................ Temperatura ambiente y 90°C

Relevancia real de
Pruebas de desgaste del pistón

Las pruebas de desgaste de pistones basadas en tribómetros proporcionan una visión crítica de cómo las elecciones de materiales y las estrategias de lubricación afectan a la fiabilidad real del motor. En lugar de depender de costosas pruebas en motores completos, los laboratorios pueden evaluar revestimientos, aceites y superficies de aleación en condiciones realistas de carga mecánica y temperatura. NANOVEA Perfilometría 3D y los módulos de tribología permiten cartografiar con precisión la profundidad de desgaste y la estabilidad de la fricción, lo que ayuda a los equipos de I+D a optimizar el rendimiento y reducir los ciclos de desarrollo.

Resultados y análisis de las pruebas de desgaste del pistón

En este experimento, se utilizó A5052 como contramaterial. Aunque los bloques de motor suelen estar hechos de aluminio fundido, como el A356, el A5052 tiene propiedades mecánicas similares al A356 para este ensayo de simulación [1].

En las condiciones de ensayo, se observó un desgaste significativo en la falda del pistón a temperatura ambiente en comparación con 90°C. Los profundos arañazos observados en las muestras sugieren que el contacto entre el material estático y la falda del pistón se produce con frecuencia a lo largo de la prueba. La alta viscosidad a temperatura ambiente puede impedir que el aceite llene completamente los huecos en las interfaces y cree contacto metal-metal. A mayor temperatura, el aceite se diluye y puede fluir entre el bulón y el pistón. Como resultado, se observa un desgaste significativamente menor a mayor temperatura. La FIGURA 5 muestra que un lado de la cicatriz de desgaste se desgasta mucho menos que el otro. Esto se debe probablemente a la ubicación de la salida de aceite. El espesor de la película lubricante era mayor en un lado que en el otro, lo que provocó un desgaste desigual.

[1] "Aluminio 5052 frente a aluminio 356.0". MakeItFrom.com, makeitfrom.com/compare/5052-O-Aluminum/A356.0-SG70B-A13560-Cast-Aluminum

El COF de los ensayos tribológicos alternativos lineales puede dividirse en paso alto y paso bajo. El paso alto se refiere a la muestra que se mueve en la dirección de avance, o positiva, y el paso bajo se refiere a la muestra que se mueve en la dirección de retroceso, o negativa. Se observó que el COF medio del aceite RT era inferior a 0,1 en ambas direcciones. El COF medio entre pasadas fue de 0,072 y 0,080. Se observó que el COF medio del aceite a 90°C era diferente entre pasadas. Se observaron valores medios de COF de 0,167 y 0,09. La diferencia en el COF es una prueba adicional de que el aceite sólo fue capaz de humedecer correctamente un lado del pasador. Se obtuvo un COF elevado cuando se formó una película gruesa entre el bulón y la falda del pistón debido a que se produjo una lubricación hidrodinámica. Se observa un COF más bajo en la otra dirección cuando se produce una lubricación mixta. Para obtener más información sobre la lubricación hidrodinámica y la lubricación mixta, visite nuestra nota de aplicación en Curvas Stribeck.

Cuadro 1: Resultados de la prueba de desgaste de pistones lubricados.

FIGURA 1: Gráficos COF para la prueba de desgaste del aceite a temperatura ambiente A perfil bruto B paso alto C paso bajo.

FIGURA 2: Gráficos COF para la prueba de aceite de desgaste a 90°C A perfil bruto B paso alto C paso bajo.

FIGURA 3: Imagen óptica de la cicatriz de desgaste de la prueba de desgaste del aceite de motor RT.

FIGURA 4: Volumen de un análisis del agujero de la cicatriz de desgaste de la prueba de desgaste del aceite de motor RT.

FIGURA 5: Escaneado perfilométrico de la cicatriz de desgaste de la prueba de desgaste del aceite de motor RT.

FIGURA 6: Imagen óptica de la cicatriz de desgaste de la prueba de desgaste de aceite de motor a 90°C

FIGURA 7: Volumen de un análisis de agujero de la cicatriz de desgaste de la prueba de desgaste de aceite de motor a 90°C.

FIGURA 8: Escaneado perfilométrico de la cicatriz de desgaste de la prueba de desgaste de aceite de motor a 90°C.

Conclusiones: Evaluación del desgaste del motor con tribómetros NANOVEA

Se realizaron pruebas de desgaste alternativo lineal lubricado en un pistón para simular lo que ocurre en un motor operativo real. La interfaz entre la falda del pistón, el lubricante y la camisa del cilindro es crucial para el funcionamiento de un motor. El espesor del lubricante en la interfaz es responsable de la pérdida de energía debida a la fricción o al desgaste entre la falda del pistón y la camisa del cilindro. Para optimizar el motor, el espesor de la película debe ser lo más fino posible sin permitir que la falda del pistón y la camisa del cilindro se toquen. El reto, sin embargo, es cómo afectarán los cambios de temperatura, velocidad y fuerza a las interfaces P-L-C.

Con su amplio rango de carga (hasta 2000 N) y velocidad (hasta 15000 rpm), el tribómetro NANOVEA T2000 es capaz de simular diferentes condiciones posibles en un motor. Los posibles estudios futuros sobre este tema incluyen cómo se comportarán las interfaces P-L-C bajo diferentes cargas constantes, cargas oscilantes, temperatura del lubricante, velocidad y método de aplicación del lubricante. Estos parámetros pueden ajustarse fácilmente con el tribómetro NANOVEA T2000 para obtener una comprensión completa de los mecanismos de las interfaces falda del pistón-lubricante-guarnición del cilindro.

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Topografía de superficies orgánicas mediante perfilómetro 3D portátil

TOPOGRAFÍA DE SUPERFICIE ORGÁNICA

USO DEL PERFILÓMETRO 3D PORTÁTIL

Preparado por

CRAIG LEISING

INTRODUCCIÓN

La naturaleza se ha convertido en una fuente vital de inspiración para el desarrollo de estructuras superficiales mejoradas. La comprensión de las estructuras superficiales que se encuentran en la naturaleza ha dado lugar a estudios de adhesión basados en las patas del gecko, estudios de resistencia basados en el cambio de textura de los pepinos de mar y estudios de repelencia basados en las hojas, entre muchos otros. Estas superficies tienen numerosas aplicaciones potenciales, desde la biomedicina hasta la confección y la automoción. Para que cualquiera de estos avances en materia de superficies tenga éxito, es necesario desarrollar técnicas de fabricación que permitan imitar y reproducir las características de las superficies. Es este proceso el que requerirá identificación y control.

IMPORTANCIA DEL PERFILADOR ÓPTICO 3D PORTÁTIL SIN CONTACTO PARA SUPERFICIES ORGÁNICAS

Utilizando la tecnología Chromatic Light, el NANOVEA Jr25 Portable Perfilador óptico tiene una capacidad superior para medir casi cualquier material. Esto incluye los ángulos únicos y pronunciados, las superficies reflectantes y absorbentes que se encuentran en la amplia gama de características superficiales de la naturaleza. Las mediciones 3D sin contacto proporcionan una imagen 3D completa que permite comprender mejor las características de la superficie. Sin las capacidades 3D, la identificación de las superficies naturales se basaría únicamente en información 2D o en imágenes microscópicas, lo que no proporciona información suficiente para imitar adecuadamente la superficie estudiada. Comprender toda la gama de características de la superficie, incluyendo la textura, la forma y las dimensiones, entre muchas otras, será fundamental para el éxito de la fabricación.

La capacidad de obtener fácilmente resultados con calidad de laboratorio sobre el terreno abre la puerta a nuevas oportunidades de investigación.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

En esta aplicación, el NANOVEA Jr25 se utiliza para medir la superficie de una hoja. Existe una lista interminable de parámetros de superficie que se pueden calcular automáticamente tras el escaneo 3D de la superficie.

Aquí revisaremos la superficie 3D y seleccionaremos
áreas de interés para analizar más a fondo, incluyendo
cuantificar e investigar la rugosidad de la superficie, los canales y la topografía

NANOVEA

JR25

CONDICIONES DE ENSAYO

PROFUNDIDAD DEL SURCO

Densidad media de surcos: 16,471 cm/cm².
Profundidad media de los surcos: 97,428 μm
Profundidad máxima: 359,769 μm

CONCLUSIÓN

En esta aplicación, hemos mostrado cómo el NANOVEA El perfilómetro óptico portátil 3D sin contacto Jr25 puede caracterizar con precisión tanto la topografía como los detalles a escala nanométrica de la superficie de una hoja en el campo. A partir de estas mediciones de superficie en 3D, se pueden identificar rápidamente las áreas de interés y luego analizarlas con una lista de estudios infinitos (Dimensión, rugosidad, textura de acabado, forma, topografía, planitud, alabeo, planaridad, volumen, área, altura de escalón. y otros). Se puede seleccionar fácilmente una sección transversal en 2D para analizar más detalles. Con esta información, se pueden investigar ampliamente las superficies orgánicas con un conjunto completo de recursos de medición de superficies. Las áreas de especial interés se podrían haber analizado más a fondo con el módulo AFM integrado en los modelos de sobremesa.

NANOVEA También ofrece perfilómetros portátiles de alta velocidad para investigación de campo y una amplia gama de sistemas de laboratorio, además de prestar servicios de laboratorio.

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Propiedades de adhesión del recubrimiento de oro sobre sustrato de cristal de cuarzo

Propiedades de adhesión del recubrimiento de oro

sobre sustrato de cristal de cuarzo

Preparado por

DUANJIE LI, Doctorado

INTRODUCCIÓN

La microbalanza de cristal de cuarzo (QCM) es un sensor de masa extremadamente sensible capaz de realizar mediciones precisas de masas pequeñas en el rango de los nanogramos. La QCM mide el cambio de masa en la superficie mediante la detección de variaciones en la frecuencia de resonancia del cristal de cuarzo con dos electrodos fijados a cada lado de la placa. Su capacidad para medir pesos extremadamente pequeños lo convierte en un componente clave en una variedad de instrumentos industriales y de investigación para detectar y monitorear la variación de la masa, la adsorción, la densidad y la corrosión, entre otros.

IMPORTANCIA DE LA PRUEBA DE RAYADO PARA QCM

Como dispositivo extremadamente preciso, el QCM mide el cambio de masa hasta 0,1 nanogramos. Cualquier pérdida de masa o delaminación de los electrodos en la placa de cuarzo será detectada por el cristal de cuarzo y causará errores de medición significativos. Como resultado, la calidad intrínseca del recubrimiento del electrodo y la integridad interfacial del sistema de recubrimiento/sustrato desempeñan un papel esencial en la realización de mediciones de masa precisas y repetibles. La prueba de microarañazos es una medición comparativa muy utilizada para evaluar las propiedades relativas de cohesión o adhesión de los recubrimientos basándose en la comparación de las cargas críticas en las que aparecen fallos. Es una herramienta superior para el control de calidad fiable de los QCM.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

En esta aplicación, el NANOVEA Comprobador mecánico, en modo Micro Scratch, se utiliza para evaluar la fuerza cohesiva y adhesiva del recubrimiento de oro sobre el sustrato de cuarzo de una muestra QCM. Nos gustaría mostrar la capacidad del NANOVEA Probador mecánico para realizar pruebas de microarañazos en muestras delicadas con alta precisión y repetibilidad.

NANOVEA

PB1000

CONDICIONES DE ENSAYO

El NANOVEA Se utilizó el probador mecánico PB1000 para realizar las pruebas de microarañazos en una muestra de QCM utilizando los parámetros de prueba que se resumen a continuación. Se realizaron tres arañazos para garantizar la reproducibilidad de los resultados.

TIPO DE CARGA: Progresiva

CARGA INICIAL

0,01 N

CARGA FINAL

30 N

AMBIENTE: Aire 24 °C

VELOCIDAD DE DESLIZAMIENTO

2 mm/min

DISTANCIA DE DESLIZAMIENTO

2 mm

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

La pista completa de microarañazos en la muestra QCM se muestra en FIGURA 1. Los comportamientos de fallo a diferentes cargas críticas se muestran en la FIGURA 2., donde la carga crítica, LC1 se define como la carga a la que se produce el primer signo de fallo adhesivo en la pista de rayado, L.C2 es la carga a partir de la cual se producen fallos adhesivos repetitivos, y LC3 es la carga a la que el recubrimiento se desprende completamente del sustrato. Se puede observar que se producen pocos desconchones a LC1 de 11,15 N, el primer indicio de fallo del recubrimiento.

A medida que la carga normal sigue aumentando durante la prueba de microarañazos, se producen fallos adhesivos repetitivos después de L.C2 de 16,29 N. Cuando LC3 de 19,09 N, el recubrimiento se desprende completamente del sustrato de cuarzo. Estas cargas críticas pueden utilizarse para comparar cuantitativamente la fuerza cohesiva y adhesiva del recubrimiento y seleccionar el mejor candidato para las aplicaciones específicas.

FIGURA 1: Microarañazo completo en la muestra QCM.

FIGURA 2: Microarañazos en diferentes cargas críticas.

FIGURA 3 representa gráficamente la evolución del coeficiente de fricción y la profundidad, lo que puede proporcionar más información sobre la progresión de los fallos del recubrimiento durante la prueba de microarañazos.

FIGURA 3: Evolución del COF y la profundidad durante la prueba de microarañazos.

CONCLUSIÓN

En este estudio, demostramos que el NANOVEA El probador mecánico realiza pruebas de microarañazos fiables y precisas en una muestra QCM. Mediante la aplicación de cargas incrementadas linealmente de forma controlada y estrechamente supervisada, la medición de arañazos permite a los usuarios identificar la carga crítica a la que se produce el fallo típico de los recubrimientos cohesivos y adhesivos. Proporciona una herramienta superior para evaluar cuantitativamente y comparar la calidad intrínseca del recubrimiento y la integridad interfacial del sistema de recubrimiento/sustrato para QCM.

Los módulos Nano, Micro o Macro del NANOVEA Todos los probadores mecánicos incluyen modos de prueba de indentación, rayado y desgaste que cumplen con las normas ISO y ASTM, lo que proporciona la gama de pruebas más amplia y fácil de usar disponible en un solo sistema. NANOVEA‘Su incomparable gama es la solución ideal para determinar todas las propiedades mecánicas de recubrimientos, películas y sustratos finos o gruesos, blandos o duros, incluyendo dureza, módulo de Young, resistencia a la fractura, adhesión, 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 hendiduras, rayones y marcas de desgaste, además de otras mediciones de la superficie, como la rugosidad y la deformación.

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El probador micromecánico líder en el mundo

AHORA LÍDER MUNDIAL

ENSAYOS MICROMECÁNICOS

Preparado por

PIERRE LEROUX Y DUANJIE LI, DOCTORES

INTRODUCCIÓN

Los durómetros Vickers estándar tienen rangos de carga utilizables de 10 a 2000 gramos-fuerza (gf). Los durómetros Vickers macro estándar tienen una carga de 1 a 50 Kgf. Estos instrumentos no solo tienen un rango de carga muy limitado, sino que también son inexactos cuando se trata de superficies más rugosas o cargas bajas, ya que las hendiduras se vuelven demasiado pequeñas para poder medirlas visualmente. Estas limitaciones son intrínsecas a la tecnología más antigua y, como resultado, la indentación instrumentada se está convirtiendo en la opción estándar debido a la mayor precisión y rendimiento que ofrece.

Con Los sistemas de ensayo micromecánico de NANOVEA, líderes en el mundo, calculan automáticamente la dureza Vickers a partir de los datos de profundidad frente a carga, con el rango de carga más amplio jamás disponible en un solo módulo (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 micromódulo NANOVEA puede medir cualquier tipo de material, incluidos los muy elásticos. Además, no solo proporciona la dureza Vickers, sino también datos precisos sobre el módulo de elasticidad y la fluencia, además de otros tipos de pruebas, como pruebas de adhesión al rayado, desgaste, fatiga, límite elástico y resistencia a la fractura, para obtener una gama completa de datos de control de calidad.

AHORA, LÍDER MUNDIAL EN ENSAYOS MICROMECÁNICOS

En esta nota de aplicación, se explicará cómo se ha diseñado el Micro Module para ofrecer las pruebas de indentación y rayado instrumentadas líderes en el mundo. La amplia capacidad de prueba del Micro Module es ideal para muchas aplicaciones. Por ejemplo, el rango de carga permite realizar mediciones precisas de la dureza y el módulo de elasticidad de recubrimientos duros delgados y, a continuación, aplicar cargas mucho más altas para medir la adhesión de esos mismos recubrimientos.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

La capacidad del Micro Módulo se muestra con el NANOVEA CB500 Comprobador mecánico por
Realiza pruebas de indentación y rayado con una precisión y fiabilidad superiores, utilizando un amplio rango de carga de 0,03 a 200 N.

NANOVEA

CB500

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 prueba de indentación. Las indentaciones se realizaron con diferentes cargas máximas que oscilaron entre 0,03 N y 200 N (0,0031 y 20,4 kgf) para demostrar la capacidad del micromódulo para realizar pruebas de indentación precisas con diferentes cargas. Cabe señalar que también se dispone de una célula de carga opcional de 20 N que proporciona una resolución 10 veces mayor para pruebas en el rango de carga más bajo, de 0,3 gf a 2 kgf.

Se realizaron dos pruebas de rayado utilizando el módulo Micro con una carga linealmente incrementada de 0,01 N a 200 N y de 0,01 N a 0,5 N, respectivamente, utilizando un palpador de diamante cónico-esférico con un radio de punta de 500 μm y 20 μm.

Veinte Microindentación Se realizaron pruebas en la muestra estándar de acero a 4 N, lo que demostró la repetibilidad superior de los resultados del Micro Module en comparación con el rendimiento de los durómetros Vickers convencionales.

*microindentador sobre la muestra de acero

PARÁMETROS DE PRUEBA

del mapeo de hendiduras

MAPEO: 3 POR 4 SANGRIAS

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

El nuevo micromódulo cuenta con una combinación única de motor Z, célula de carga de alta fuerza y un sensor de profundidad capacitivo de alta precisión. El uso exclusivo de sensores de profundidad y carga independientes garantiza una alta precisión en todas las condiciones.

Las pruebas de dureza Vickers convencionales utilizan puntas de penetración piramidales con base cuadrada de diamante que crean marcas de forma cuadrada. Mediante la medición de la longitud media de la diagonal, d, se puede calcular la dureza Vickers.

En comparación, la técnica de indentación instrumentada utilizada por NANOVEA‘El módulo Micro de mide directamente las propiedades mecánicas a partir de mediciones de carga y desplazamiento de indentación. No es necesaria la observación visual de la indentación. Esto elimina los errores de procesamiento de imágenes por parte del usuario o de la computadora a la hora de determinar 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 exactitud la profundidad de las indentaciones que son difíciles o imposibles de medir visualmente bajo un microscopio con los durómetros Vickers tradicionales.

Además, la técnica de voladizo utilizada por la competencia aplica la carga normal sobre una viga en voladizo mediante un resorte, 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 la rigidez estructural suficiente, lo que provoca la deformación de la viga y, a su vez, la desalineación del penetrador. En comparación, el Micro Module 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 repetibles y precisas de la indentación y el rayado en todo el rango de carga.

Vista detallada del nuevo micromódulo.

HALLAZGO DE 0,03 A 200 N

La imagen del mapa de indentación se muestra en la FIGURA 1. La distancia entre las dos indentaciones adyacentes por encima de 10 N es de 0,5 mm, mientras que la de las cargas más bajas es de 0,25 mm. El control de posición de alta precisión de la plataforma de muestras permite a los usuarios seleccionar la ubicación objetivo para el mapeo de 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 al penetrar en la muestra de acero con 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 hendiduras individuales con diferentes cargas bajo el microscopio se muestran junto a los dos rayones, como se muestra en la FIGURA 2, para mostrar la capacidad del nuevo micromódulo para realizar pruebas de hendidura y rayado en un amplio rango de cargas con una alta precisión. Como se muestra en los gráficos de carga normal frente a longitud de rayado, la carga normal aumenta linealmente a medida que la aguja de diamante cónico-esférico se desliza sobre la superficie de la muestra de acero. Esto crea una traza de rayado recta y suave de anchura y profundidad progresivamente mayores.

FIGURA 1: Mapa de sangría

Se realizaron veinte pruebas de microindentación en la muestra estándar de acero a 4 N, lo que demostró la repetibilidad superior de los resultados del Micro Module en comparación con el rendimiento de los durómetros Vickers convencionales.

A: HUNDIMIENTO Y RAYADURA BAJO EL MICROSCOPIO (360X)

B: HONDEZ Y RAYÓN BAJO EL MICROSCOPIO (3000X)

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

Las curvas de carga-desplazamiento durante la indentación con diferentes cargas máximas se muestran en FIGURA 3. La dureza y el módulo de elasticidad se resumen y comparan en la FIGURA 4. La muestra de acero presenta un módulo de elasticidad constante a lo largo de toda la carga de prueba, que oscila entre 0,03 y 200 N (rango posible de 0,003 a 400 N), lo que da como resultado un valor medio de ~211 GPa. La dureza muestra un valor relativamente constante de ~6.5 GPa medido bajo una carga máxima superior a 100 N. A medida que la carga disminuye a un rango de 2 a 10 N, se mide una dureza promedio de ~9 GPa.

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

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

HALLAZGO DE 0,03 A 200 N

Se realizaron veinte pruebas de microindentación con una carga máxima de 4 N. Las curvas de 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 de carga-desplazamiento para ensayos de microindentación a 4 N.

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

Las curvas de carga-desplazamiento demuestran la repetibilidad superior del nuevo Micro Module. El estándar de acero posee una dureza Vickers de 842±11 HV medida con el nuevo Micro Module, 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 de 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 indentación 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 que se incluyen en los durómetros Vickers.

CONCLUSIÓN

En este estudio, hemos demostrado cómo el nuevo módulo micro NANOVEA (rango de 200 N), líder mundial, realiza mediciones de indentación y rayado reproducibles y precisas sin igual en un amplio rango de carga de 0,03 a 200 N (3 gf a 20,4 kgf). Un Micro Module opcional de rango inferior puede proporcionar pruebas de 0,003 a 20 N (0,3 gf a 2 kgf). La alineación vertical única del motor Z, la célula de carga de alta fuerza y el sensor de profundidad garantizan la máxima rigidez estructural durante las mediciones. Las indentaciones medidas con diferentes cargas presentan todas una forma cuadrada simétrica en la superficie de la muestra. En la prueba de rayado con una carga máxima de 200 N se crea una traza recta de rayado con un aumento progresivo de la anchura y la profundidad.

El nuevo Micro Módulo se puede configurar en la base mecánica PB1000 (150 x 200 mm) o CB500 (100 x 50 mm) con motorización z (rango de 50 mm). En combinación con un potente sistema de cámara (precisión de posición de 0,2 micras), los sistemas ofrecen las mejores capacidades de automatización y mapeo del mercado. NANOVEA también ofrece una función patentada única (EP n.º 30761530) que permite verificar y calibrar los indentadores Vickers realizando una única indentación en todo el rango de cargas. Por el contrario, los durómetros Vickers estándar solo pueden proporcionar la calibración con una carga.

Además, el software NANOVEA permite al usuario medir la dureza Vickers mediante el método tradicional de medición de las diagonales de la indentación, si es necesario (para ASTM E92 y E384). Como se muestra en este documento, las pruebas de dureza de profundidad frente a carga (ASTM E2546 e ISO 14577) realizadas por un módulo micro NANOVEA son precisas y reproducibles en comparación con los durómetros tradicionales. Especialmente para muestras que no se pueden observar/medir con un microscopio.

En conclusión, la mayor precisión y repetibilidad del diseño del Micro Módulo, con su amplia gama de cargas y pruebas, su alto nivel de automatización y sus opciones de mapeo, hace que los durómetros Vickers tradicionales queden obsoletos. Lo mismo ocurre con los durómetros de rayado y micro rayado que aún se comercializan, 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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Lija: análisis de rugosidad y diámetro de partículas

Más información

Lija

Análisis de rugosidad y diámetro de partículas

Preparado por

FRANK LIU

INTRODUCCIÓN

El papel de lija es un producto común disponible en el mercado que se utiliza como abrasivo. El uso más habitual del papel de lija es eliminar recubrimientos o pulir una superficie gracias a sus propiedades abrasivas. Estas propiedades abrasivas se clasifican en granos, cada uno de los cuales está relacionado con el grado de suavidad o
rugosidad del acabado superficial que proporcionará. Para conseguir las propiedades abrasivas deseadas, los fabricantes de papel de lija deben asegurarse de que las partículas abrasivas tengan un tamaño específico y una desviación mínima. Para cuantificar la calidad del papel de lija, el escáner 3D sin contacto de NANOVEA Perfilómetro Se puede utilizar para obtener el parámetro de altura media aritmética (Sa) y el diámetro medio de las partículas de un área de muestra.

IMPORTANCIA DEL PERFILÓMETRO ÓPTICO 3D SIN CONTACTO PARA EL PAPEL DE LIMA

Cuando se utiliza papel de lija, la interacción entre las partículas abrasivas y la superficie que se está lijando debe ser uniforme para obtener acabados superficiales consistentes. Para cuantificarlo, se puede observar la superficie del papel de lija con el perfilómetro óptico 3D sin contacto de NANOVEA para ver las desviaciones en el tamaño, la altura y el espaciado de las partículas.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

En este estudio, se utilizaron cinco tipos diferentes de lija (120,
180, 320, 800 y 2000) se escanean con el
Perfilómetro óptico sin contacto NANOVEA ST400 3D.
El Sa se extrae del escaneo y la partícula
El tamaño se calcula realizando un análisis de Motifs para
encontrar su diámetro equivalente

NANOVEA

ST400

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

El papel de lija disminuye la rugosidad de la superficie (Sa) y el tamaño de las partículas a medida que aumenta el grano, como era de esperar. El Sa osciló entre 42,37 μm y 3,639 μm. El tamaño de las partículas oscila entre 127 ± 48,7 y 21,27 ± 8,35. Las partículas más grandes y las variaciones de altura elevadas crean una acción abrasiva más fuerte en las superficies, en contraposición a las partículas más pequeñas con variaciones de altura bajas.
Tenga en cuenta que todas las definiciones de los parámetros de altura indicados se enumeran en la página A.1.

TABLA 1: Comparación entre los granos del papel de lija y los parámetros de altura.

TABLA 2: Comparación entre los granos del papel de lija y el diámetro de las partículas.

VISTA EN 2D Y 3D DEL PAPEL DE LIMA

A continuación se muestran las imágenes en falso color y la vista en 3D de las muestras de papel de lija.
Se utilizó un filtro gaussiano de 0,8 mm para eliminar la forma o ondulación.

ANÁLISIS DE MOTIVOS

Para localizar con precisión las partículas en la superficie, se redefinió el umbral de la escala de altura para mostrar solo la capa superior del papel de lija. A continuación, se realizó un análisis de motivos para detectar los picos.

CONCLUSIÓN

Se utilizó el perfilómetro óptico 3D sin contacto de NANOVEA para inspeccionar las propiedades superficiales de varios tipos de lija, debido a su capacidad para escanear con precisión superficies con características micro y nano.

Los parámetros de altura de la superficie y los diámetros equivalentes de las partículas se obtuvieron a partir de cada una de las muestras de papel de lija utilizando un software avanzado para analizar los escaneos 3D. Se observó que, a medida que aumentaba el tamaño del grano, la rugosidad de la superficie (Sa) y el tamaño de las partículas disminuían, tal y como se esperaba.

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Medición de límites superficiales

Medición de límites superficiales mediante perfilometría 3D

Más información

MEDICIÓN DE LÍMITES DE SUPERFICIE

UTILIZANDO LA PERFILOMETRÍA 3D

Preparado por

Craig Leising

INTRODUCCIÓN

En estudios en los que se evalúa la orientación de las características, patrones, formas, etc. de la interfaz de la superficie, resulta útil identificar rápidamente las áreas de interés en todo el perfil de medición. Al segmentar una superficie en áreas significativas, el usuario puede evaluar rápidamente los límites, picos, hoyos, áreas, volúmenes y muchos otros elementos para comprender su función en todo el perfil de la superficie objeto de estudio. Por ejemplo, al igual que en la imagen de los límites de grano de los metales, la importancia del análisis radica en la interfaz de muchas estructuras y su orientación general. Al comprender cada área de interés, se pueden identificar los defectos y/o anomalías dentro del área general. Aunque la imagen de los límites de grano se estudia normalmente en un rango que supera la capacidad del perfilómetro, y solo se trata de un análisis de imágenes en 2D, es una referencia útil para ilustrar el concepto de lo que se mostrará aquí a mayor escala, junto con las ventajas de la medición de superficies en 3D.

IMPORTANCIA DEL PERFILÓMETRO 3D SIN CONTACTO PARA EL ESTUDIO DE LA SEPARACIÓN DE SUPERFICIES

A diferencia de otras técnicas, como las sondas táctiles o la interferometría, el Perfilómetro 3D sin contacto, mediante el cromatismo axial, puede medir casi cualquier superficie, los tamaños de las muestras pueden variar ampliamente debido a la disposición abierta y no es necesario preparar las muestras. Se obtiene un rango de nano a macro durante la medición del perfil de la superficie sin influencia alguna de la reflectividad o absorción de la muestra, tiene una capacidad avanzada para medir ángulos de superficie elevados y no hay manipulación de los resultados por parte del software. Mida fácilmente cualquier material: transparente, opaco, especular, difusivo, pulido, rugoso, etc. La técnica del perfilómetro sin contacto proporciona una capacidad ideal, amplia y fácil de usar para maximizar los estudios de superficie cuando se necesita un análisis de los límites de la superficie, junto con las ventajas de la capacidad combinada de 2D y 3D.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

En esta aplicación, se utiliza el perfilómetro Nanovea ST400 para medir la superficie del poliestireno expandido. Los límites se establecieron combinando un archivo de intensidad reflejada con la topografía, que se obtuvieron simultáneamente utilizando el NANOVEA ST400. A continuación, estos datos se utilizaron para calcular la información sobre la forma y el tamaño de cada “grano” de poliestireno expandido.

NANOVEA

ST400

RESULTADOS Y DISCUSIÓN: Medición de límites superficiales en 2D

Imagen topográfica (abajo a la izquierda) enmascarada por una imagen de intensidad reflejada (abajo a la derecha) para definir claramente los límites de los granos. Todos los granos con un diámetro inferior a 565 µm se han ignorado mediante la aplicación de un filtro.

Número total de granos: 167
Área total proyectada ocupada por los granos: 166,917 mm² (64,5962 %)
Área total proyectada ocupada por los límites: (35.4038 %)
Densidad de granos: 0,646285 granos/mm2

Área = 0,999500 mm² +/- 0,491846 mm²
Perímetro = 9114,15 µm +/- 4570,38 µm
Diámetro equivalente = 1098,61 µm +/- 256,235 µm
Diámetro medio = 945,373 µm +/- 248,344 µm
Diámetro mínimo = 675,898 µm +/- 246,850 µm
Diámetro máximo = 1312,43 µm +/- 295,258 µm

RESULTADOS Y DISCUSIÓN: Medición de límites superficiales en 3D

Mediante el uso de los datos topográficos 3D obtenidos, se puede analizar el volumen, la altura, el pico, la relación de aspecto y la información sobre la forma general de cada grano. Área total ocupada en 3D: 2,525 mm3.

CONCLUSIÓN

En esta aplicación, hemos mostrado cómo el perfilómetro sin contacto NANOVEA 3D puede caracterizar con precisión la superficie del poliestireno expandido. Se puede obtener información estadística sobre toda la superficie de interés o sobre granos individuales, ya sean picos o depresiones. En este ejemplo, se utilizaron todos los granos mayores que un tamaño definido por el usuario para mostrar el área, el perímetro, el diámetro y la altura. Las características que se muestran aquí pueden ser fundamentales para la investigación y el control de calidad de superficies naturales y prefabricadas, desde aplicaciones biomédicas hasta micro mecanizado, entre muchas otras.

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Prueba de desgaste por humedad del recubrimiento de vidrio mediante tribómetro

Más información

HUMEDAD DEL RECUBRIMIENTO DE VIDRIO

PRUEBA DE DESGASTE MEDIANTE TRIBÓMETRO

Preparado por

DUANJIE LI, Doctorado

INTRODUCCIÓN

El recubrimiento autolimpiante para vidrio crea una superficie fácil de limpiar que evita la acumulación de mugre, suciedad y manchas. Su función autolimpiante reduce significativamente la frecuencia, el tiempo, la energía y los costos de limpieza, lo que lo convierte en una opción atractiva para una variedad de aplicaciones residenciales y comerciales, como fachadas de vidrio, espejos, vidrios de ducha, ventanas y parabrisas.

IMPORTANCIA DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE DEL RECUBRIMIENTO DE VIDRIO AUTOLIMPIABLE

Una de las principales aplicaciones del recubrimiento autolimpiante es la superficie exterior de las fachadas acristaladas de los rascacielos. La superficie del vidrio suele verse afectada por partículas a gran velocidad arrastradas por fuertes vientos. Las condiciones meteorológicas también influyen considerablemente en la vida útil del recubrimiento del vidrio. El tratamiento superficial del vidrio y la aplicación de un nuevo recubrimiento cuando el antiguo falla pueden resultar muy difíciles y costosos. Por lo tanto, la resistencia al desgaste del recubrimiento del vidrio bajo
Las diferentes condiciones climáticas son fundamentales.

Para simular las condiciones ambientales reales del recubrimiento autolimpiante en diferentes condiciones climáticas, es necesario realizar una evaluación repetible del desgaste en condiciones de humedad controladas y supervisadas. Esto permite a los usuarios comparar adecuadamente la resistencia al desgaste de los recubrimientos autolimpiantes expuestos a diferentes niveles de humedad y seleccionar el mejor candidato para la aplicación deseada.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

En este estudio, demostramos que el NANOVEA El tribómetro T100, equipado con un controlador de humedad, es una herramienta ideal para investigar la resistencia al desgaste de los recubrimientos de vidrio autolimpiables en diferentes condiciones de humedad.

NANOVEA

T100

PROCEDIMIENTOS DE PRUEBA

Los portaobjetos de microscopio de vidrio sodocálcico se recubrieron con recubrimientos de vidrio autolimpiables con dos fórmulas de tratamiento diferentes. Estos dos recubrimientos se identifican como Recubrimiento 1 y Recubrimiento 2. También se probó un portaobjetos de vidrio sin recubrimiento para comparar.

NANOVEA Tribómetro Se utilizó un módulo de control de humedad para evaluar el comportamiento tribológico, por ejemplo, el coeficiente de fricción (COF) y la resistencia al desgaste de los recubrimientos de vidrio autolimpiables. Se aplicó una punta de bola de WC (6 mm de diámetro) contra las muestras sometidas a prueba. El COF se registró in situ. El controlador de humedad conectado a la cámara tribológica controló con precisión el valor de humedad relativa (RH) en el rango de ±1 %. La morfología de la pista de desgaste se examinó con un microscopio óptico después de las pruebas de desgaste.

CARGA MÁXIMA 40 mN

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Se realizaron pruebas de desgaste con pasador sobre disco en diferentes condiciones de humedad sobre el vidrio recubierto y sin recubrir.
muestras. El COF se registró in situ durante las pruebas de desgaste, tal y como se muestra en FIGURA 1 y el COF promedio se resume en FIGURA 2. FIGURA 4 compara las huellas de desgaste tras las pruebas de desgaste.

Como se muestra en FIGURA 1, el vidrio sin recubrimiento presenta un alto coeficiente de fricción (COF) de ~0,45 una vez que comienza el movimiento de deslizamiento en el 30% RH, y aumenta progresivamente hasta ~0,6 al final de la prueba de desgaste de 300 revoluciones. En comparación, el
Las muestras de vidrio recubiertas Recubrimiento 1 y Recubrimiento 2 muestran un COF bajo, inferior a 0,2, al inicio de la prueba. El COF
El recubrimiento 2 se estabiliza en ~0,25 durante el resto de la prueba, mientras que el recubrimiento 1 muestra un fuerte aumento del COF en
~250 revoluciones y el COF alcanza un valor de ~0,5. Cuando las pruebas de desgaste se llevan a cabo en el 60% RH, el
El vidrio sin recubrimiento sigue mostrando un COF más alto, de ~0,45, a lo largo de toda la prueba de desgaste. Los recubrimientos 1 y 2 presentan valores de COF de 0,27 y 0,22, respectivamente. En el 90% RH, el vidrio sin recubrimiento posee un COF alto, de ~0,5, al final de la prueba de desgaste. Los recubrimientos 1 y 2 muestran un COF comparable de ~0,1 al inicio de la prueba de desgaste. El recubrimiento 1 mantiene un COF relativamente estable de ~0,15. Sin embargo, el recubrimiento 2 falla a las ~100 revoluciones, seguido de un aumento significativo del COF hasta ~0,5 hacia el final de la prueba de desgaste.

La baja fricción del recubrimiento de vidrio autolimpiante se debe a su baja energía superficial. Crea una estática muy alta.
ángulo de contacto con el agua y ángulo de rodadura bajo. Esto provoca la formación de pequeñas gotas de agua en la superficie del recubrimiento en el 90% RH, como se muestra bajo el microscopio en FIGURA 3. También da lugar a una disminución del COF medio de ~0,23 a ~0,15 para el recubrimiento 2 a medida que el valor de humedad relativa aumenta de 30% a 90%.

FIGURA 1: Coeficiente de fricción durante las pruebas de clavija sobre disco en diferentes condiciones de humedad relativa.

FIGURA 2: COF promedio durante las pruebas de pin-on-disk en diferentes condiciones de humedad relativa.

FIGURA 3: Formación de pequeñas gotas de agua en la superficie del vidrio recubierto.

FIGURA 4 compara las marcas de desgaste en la superficie del vidrio tras las pruebas de desgaste en diferentes condiciones de humedad. El recubrimiento 1 muestra signos de desgaste leve tras las pruebas de desgaste en condiciones de humedad relativa de 30% y 60%. Presenta una marca de desgaste considerable tras la prueba en condiciones de humedad relativa de 90%, lo que concuerda con el aumento significativo del COF durante la prueba de desgaste. El recubrimiento 2 casi no muestra signos de desgaste tras las pruebas de desgaste tanto en ambiente seco como húmedo, y también presenta un COF bajo y constante durante las pruebas de desgaste en diferentes condiciones de humedad. La combinación de buenas propiedades tribológicas y baja energía superficial hace que el recubrimiento 2 sea un buen candidato para aplicaciones de recubrimiento de vidrio autolimpiante en entornos difíciles. En comparación, el vidrio sin recubrimiento muestra mayores marcas de desgaste y un COF más alto en diferentes condiciones de humedad, lo que demuestra la necesidad de la técnica de recubrimiento autolimpiante.

FIGURA 4: Marcas de desgaste tras las pruebas de pin-on-disk en diferentes condiciones de humedad relativa (aumento de 200x).

CONCLUSIÓN

NANOVEA El tribómetro T100 es una herramienta superior para la evaluación y el control de calidad de los recubrimientos de vidrio autolimpiables en diferentes condiciones de humedad. La capacidad de medición in situ del COF permite a los usuarios correlacionar las diferentes etapas del proceso de desgaste con la evolución del COF, lo cual es fundamental para mejorar la comprensión básica del mecanismo de desgaste y las características tribológicas de los recubrimientos de vidrio. Basándonos en el análisis tribológico exhaustivo de los recubrimientos de vidrio autolimpiables probados en diferentes condiciones de humedad, demostramos que el recubrimiento 2 posee un COF bajo constante y una resistencia al desgaste superior tanto en entornos secos como húmedos, lo que lo convierte en un mejor candidato para aplicaciones de recubrimiento de vidrio autolimpiable expuestas a diferentes condiciones climáticas.

NANOVEA Los tribómetros ofrecen pruebas de desgaste y fricción precisas y repetibles utilizando modos rotativos y lineales que cumplen con las normas ISO y ASTM, con módulos opcionales de desgaste a alta temperatura, lubricación y tribocorrosión disponibles en un sistema preintegrado. Se encuentra disponible un perfilador 3D sin contacto opcional para alta
Imágenes 3D de alta resolución de la huella de desgaste, además de otras mediciones superficiales, como la rugosidad.

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Deformación por fluencia de polímeros mediante nanoindentación

Más información

DEFORMACIÓN POR CREEP

DE POLÍMEROS MEDIANTE NANOINDENTACIÓN

Preparado por

DUANJIE LI, Doctorado

INTRODUCCIÓN

Como materiales viscoelásticos, los polímeros suelen sufrir una deformación dependiente del tiempo bajo una determinada carga aplicada, también conocida como fluencia. La fluencia se convierte en un factor crítico cuando las piezas poliméricas están diseñadas para estar expuestas a una tensión continua, como los componentes estructurales, las uniones y los accesorios, y los recipientes de presión hidrostática.

IMPORTANCIA DE LA MEDICIÓN DE LA FLUENCIA EN LOS POLÍMEROS

La naturaleza inherente de la viscoelasticidad desempeña un papel fundamental en el rendimiento de los polímeros e influye directamente en su fiabilidad de servicio. Las condiciones ambientales, como la carga y la temperatura, afectan al comportamiento de fluencia de los polímeros. Los fallos por fluencia suelen producirse debido a la falta de atención al comportamiento de fluencia dependiente del tiempo de los materiales poliméricos utilizados en condiciones de servicio específicas. Por ello, es importante desarrollar una prueba fiable y cuantitativa del comportamiento mecánico viscoelástico de los polímeros. El módulo Nano de NANOVEA Comprobadores mecánicos aplica la carga con un piezoeléctrico de alta precisión y mide directamente la evolución de la fuerza y el desplazamiento in situ. La combinación de precisión y repetibilidad lo convierte en una herramienta ideal para la medición de la fluencia.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

En esta aplicación, mostramos que
El comprobador mecánico NANOVEA PB1000
en Nanoindentación El modo es una herramienta ideal.
para estudiar las propiedades mecánicas viscoelásticas
incluyendo dureza, módulo de Young
y fluencia de materiales poliméricos.

NANOVEA

PB1000

CONDICIONES DE ENSAYO

Se analizaron ocho muestras diferentes de polímeros mediante la técnica de nanoindentación utilizando el medidor mecánico NANOVEA PB1000. A medida que la carga aumentaba linealmente de 0 a 40 mN, la profundidad aumentaba progresivamente durante la fase de carga. A continuación, se midió la fluencia mediante el cambio de la profundidad de indentación a la carga máxima de 40 mN durante 30 s.

CARGA MÁXIMA 40 mN

VELOCIDAD DE CARGA
80 mN/min

VELOCIDAD DE DESCARGA 80 mN/min

TIEMPO DE DESLIZAMIENTO
30 s

TIPO DE INDENTADOR

Berkovich

Diamante

*Configuración de la prueba de nanoindentación

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

El gráfico de carga frente a desplazamiento de las pruebas de nanoindentación realizadas en diferentes muestras de polímeros se muestra en la FIGURA 1, y las curvas de fluencia se comparan en la FIGURA 2. La dureza y el módulo de Young se resumen en la FIGURA 3, y la profundidad de fluencia se muestra en la FIGURA 4. Como ejemplos en la FIGURA 1, las partes AB, BC y CD de la curva de carga-desplazamiento para la medición de nanoindentación representan los procesos de carga, fluencia y descarga, respectivamente.

El Delrin y el PVC presentan la mayor dureza, con 0,23 y 0,22 GPa, respectivamente, mientras que el LDPE posee la menor dureza, con 0,026 GPa, entre los polímeros probados. En general, los polímeros más duros muestran menores índices de fluencia. El LDPE, que es el más blando, tiene la mayor profundidad de fluencia, con 798 nm, en comparación con los ~120 nm del Delrin.

Las propiedades de fluencia de los polímeros son fundamentales cuando se utilizan en piezas estructurales. Mediante la medición precisa de la dureza y la fluencia de los polímeros, se puede obtener una mejor comprensión de la fiabilidad de los polímeros en función del tiempo. La fluencia, es decir, el cambio de desplazamiento con una carga determinada, también se puede medir a diferentes temperaturas elevadas y humedades utilizando el ensayador mecánico NANOVEA PB1000, que constituye una herramienta ideal para medir de forma cuantitativa y fiable los comportamientos mecánicos viscoelásticos de los polímeros.
en el entorno de aplicación realista simulado.

FIGURA 1: Los gráficos de carga frente a desplazamiento
de diferentes polímeros.

FIGURA 2: Deslizamiento con una carga máxima de 40 mN durante 30 s.

FIGURA 3: Dureza y módulo de Young de los polímeros.

FIGURA 4: Profundidad de fluencia de los polímeros.

CONCLUSIÓN

En este estudio, demostramos que el NANOVEA PB1000
El medidor mecánico mide las propiedades mecánicas de diferentes polímeros, incluyendo la dureza, el módulo de Young y la fluencia. Dichas propiedades mecánicas son esenciales para seleccionar el material polimérico adecuado para las aplicaciones previstas. Derlin y PVC presentan la mayor dureza, con 0,23 y 0,22 GPa, respectivamente, mientras que el LDPE posee la menor dureza, con 0,026 GPa, entre los polímeros probados. En general, los polímeros más duros presentan menores índices de fluencia. El LDPE, que es el más blando, muestra la mayor profundidad de fluencia, con 798 nm, en comparación con los ~120 nm del Derlin.

Los probadores mecánicos NANOVEA ofrecen módulos nano y micro multifuncionales sin igual en una sola plataforma. Tanto los módulos nano como los micro incluyen modos de probador de rayaduras, probador de dureza y probador de desgaste, lo que proporciona la gama de pruebas más amplia y fácil de usar disponible en un solo sistema.

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Nanoindentación multifásica de metales

Estudio metalúrgico de materiales multifásicos mediante nanoindentación

Más información

ESTUDIO DE METALURGIA
DE MATERIAL MULTIFÁSICO

USO DE LA NANOINDENTACIÓN

Preparado por

DUANJIE LI, Doctorado & ALEXIS CELESTIN

INTRODUCCIÓN

La metalurgia estudia el comportamiento físico y químico de los elementos metálicos, así como sus compuestos intermetálicos y aleaciones. Los metales que se someten a procesos de trabajo, como la fundición, la forja, la laminación, la extrusión y el mecanizado, experimentan cambios en sus fases, microestructura y textura. Estos cambios dan lugar a diversas propiedades físicas, como la dureza, la resistencia, la tenacidad, la ductilidad y la resistencia al desgaste del material. La metalografía se aplica a menudo para conocer el mecanismo de formación de esas fases, microestructuras y texturas específicas.

IMPORTANCIA DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS LOCALES PARA EL DISEÑO DE MATERIALES

Los materiales avanzados suelen tener múltiples fases en una microestructura y textura especiales para lograr las propiedades mecánicas deseadas para las aplicaciones específicas en la práctica industrial. Nanoindentación Se aplica ampliamente para medir el comportamiento mecánico de los materiales a pequeña escala. ^{i ii}.Sin embargo, seleccionar con precisión ubicaciones específicas para la indentación en un área muy pequeña resulta complicado y lleva mucho tiempo. Se necesita un procedimiento de ensayo de nanoindentación fiable y fácil de usar para determinar las propiedades mecánicas de las diferentes fases de un material con alta precisión y mediciones oportunas.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

En esta aplicación, medimos las propiedades mecánicas de una muestra metalúrgica multifásica utilizando el medidor mecánico más potente: el NANOVEA PB1000.

Aquí mostramos la capacidad del PB1000 para realizar mediciones de nanoindentación en múltiples fases (granos) de una superficie de muestra grande con alta precisión y facilidad de uso gracias a nuestro controlador de posición avanzado.

NANOVEA

PB1000

CONDICIONES DE ENSAYO

En este estudio, utilizamos una muestra metalúrgica con múltiples fases. La muestra se pulió hasta obtener un acabado superficial similar al de un espejo antes de realizar las pruebas de indentación. Se han identificado cuatro fases en la muestra, denominadas FASE 1, FASE 2, FASE 3 y FASE 4, como se muestra a continuación.

El controlador avanzado de la platina es una herramienta intuitiva de navegación por la muestra que ajusta automáticamente la velocidad de movimiento de la muestra bajo el microscopio óptico en función de la posición del ratón. Cuanto más se aleja el ratón del centro del campo de visión, más rápido se mueve la platina hacia la dirección del ratón. Esto proporciona un método fácil de usar para navegar por toda la superficie de la muestra y seleccionar la ubicación deseada para la prueba mecánica. Las coordenadas de las ubicaciones de prueba se guardan y numeran, junto con sus configuraciones de prueba individuales, como las cargas, la velocidad de carga/descarga, el número de pruebas en un mapa, etc. Este procedimiento de prueba permite a los usuarios examinar una gran superficie de muestra en busca de áreas específicas de interés para la indentación y realizar todas las pruebas de indentación en diferentes ubicaciones a la vez, lo que lo convierte en una herramienta ideal para las pruebas mecánicas de muestras metalúrgicas con múltiples fases.

En este estudio, localizamos las fases específicas de la muestra bajo el microscopio óptico integrado en el NANOVEA Probador mecánico con el número FIGURA 1. Se guardan las coordenadas de las ubicaciones seleccionadas y, a continuación, se realizan pruebas de nanoindentación automáticas de forma simultánea en las condiciones de prueba que se resumen a continuación.

FIGURA 1: SELECCIÓN DE LA UBICACIÓN DE LA NANOINDENTACIÓN EN LA SUPERFICIE DE LA MUESTRA.

RESULTADOS: NANOINDENTACIONES EN DIFERENTES FASES

A continuación se muestran las hendiduras en las diferentes fases de la muestra. Demostramos que el excelente control de la posición de la platina de muestras en el NANOVEA Comprobador mecánico permite a los usuarios localizar con precisión la ubicación objetivo para realizar pruebas de propiedades mecánicas.

Las curvas representativas de carga-desplazamiento de las indentaciones se muestran en FIGURA 2, y la dureza y el módulo de Young correspondientes calculados utilizando el método de Oliver y Pharr.ⁱⁱⁱ se resumen y comparan en FIGURA 3.

El FASES 1, 2, 3 y 4 poseen una dureza media de ~5,4, 19,6, 16,2 y 7,2 GPa, respectivamente. El tamaño relativamente pequeño de FASES 2 contribuye a una mayor desviación estándar de los valores de dureza y del módulo de Young.

FIGURA 2: CURVAS DE CARGA-DESPLAZAMIENTO
DE LAS NANOINDENTACIONES

FIGURA 3: DUREZA Y MÓDULO DE YOUNG DE DIFERENTES FASES

CONCLUSIÓN

En este estudio, mostramos el probador mecánico NANOVEA realizando mediciones de nanoindentación en múltiples fases de una muestra metalúrgica de gran tamaño utilizando el controlador de etapa avanzado. El control preciso de la posición permite a los usuarios navegar fácilmente por una superficie de muestra grande y seleccionar directamente las áreas de interés para las mediciones de nanoindentación.

Las coordenadas de ubicación de todas las hendiduras se guardan y luego se realizan consecutivamente. Este procedimiento de prueba hace que la medición de las propiedades mecánicas locales a pequeña escala, por ejemplo, la muestra de metal multifásico de este estudio, requiera mucho menos tiempo y sea más fácil de usar. Las fases duras 2, 3 y 4 mejoran las propiedades mecánicas de la muestra, con una dureza media de ~19,6, 16,2 y 7,2 GPa, respectivamente, en comparación con los ~5,4 GPa de la fase 1.

Los módulos Nano, Micro o Macro del instrumento incluyen modos de ensayo de indentación, rayado y desgaste conformes 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.

i Oliver, W. C.; Pharr, G. M., Revista de Investigación de Materiales, volumen 19, número 1, enero de 2004, pp. 3-20.
ii Schuh, C.A., Materials Today, volumen 9, número 5, mayo de 2006, pp. 32-40.
iii Oliver, W. C.; Pharr, G. M., Revista de Investigación de Materiales, volumen 7, número 6, junio de 1992, pp. 1564-1583.

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Productos

Perfilómetros

PS50 (Compacto avanzado)

JR25 (Compacto portátil)

ST400 (Estándar modular)

AFMPRO (Fuerza Atómica)

ST500 (Modular de gran superficie)

JR100 (Alta velocidad portátil)

Control de calidad en línea (rugosidad, textura y acabado)

Comprobadores mecánicos

CB500 (Compacto avanzado)

PB1000 (Plataforma grande)

Sistemas de vacío

Tribómetros

T50 (Modular estándar)

T200 (neumática compacta)

T2000 (neumática de alta carga)

CR-8R (Espesor del revestimiento de cráter de bola)

Sistemas de vacío

Soluciones de ensayo

Perfilometría

Rugosidad y acabado

Geometría y formas

Planicidad y alabeo

Volumen y superficie

Altura y grosor del peldaño

Textura y grano

Pruebas mecánicas

Indentación | Dureza y elasticidad

Indentación | Esfuerzo frente a deformación

Indentación | Fluencia y relajación

Indentación | Pérdida y almacenamiento

Indentación | Resistencia a la fractura

Indentación | Límite elástico y fatiga

Alta temperatura

Humedad

Vacío

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Rasguño | Fallo de cohesión

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