Cerámica: Mapeo rápido por nanoindentación para la detección de granos

INTRODUCCIÓN

 

Nanoindentación se ha convertido en una técnica ampliamente aplicada para medir el comportamiento mecánico de los materiales a pequeña escala^{i ii}. Las curvas de carga-desplazamiento de alta resolución de una medición de nanoindentación pueden proporcionar una variedad de propiedades fisicomecánicas, como la dureza, el módulo de Young, la fluencia, la tenacidad a la fractura y muchas otras.

 

 

Importancia de la indentación cartográfica rápida

 

Uno de los principales obstáculos a la popularización de la técnica de nanoindentación es el tiempo que requiere. Un mapeo de propiedades mecánicas mediante el procedimiento convencional de nanoindentación puede llevar fácilmente horas, lo que dificulta la aplicación de la técnica en industrias de producción en masa, como la de semiconductores, aeroespacial, MEMS, productos de consumo como baldosas cerámicas y muchas otras.

La cartografía rápida puede resultar esencial en la industria de fabricación de baldosas cerámicas. Las cartografías de dureza y módulo de Young en una sola baldosa cerámica pueden presentar una distribución de datos que indique el grado de homogeneidad de la superficie. Las regiones más blandas de una baldosa se pueden delinear en este mapeo y mostrar los lugares más propensos a fallar por impactos físicos que ocurren en el día a día en la residencia de alguien. Las cartografías pueden realizarse en diferentes tipos de baldosas para estudios comparativos y en un lote de baldosas similares para medir la consistencia de las baldosas en un proceso de control de calidad. La combinación de configuraciones de medición puede ser amplia, precisa y eficaz con el método de mapeo rápido.

 

OBJETIVO DE MEDICIÓN

 

En este estudio, el Nanovea Comprobador mecánicoen modo FastMap se utiliza para mapear la propiedad mecánica de una baldosa a altas velocidades. Mostramos la capacidad del Nanovea Mechanical Tester para realizar dos mapeados rápidos por nanoindentación con gran precisión y reproducibilidad.

 

Condiciones de la prueba

 

El Nanovea Mechanical Tester se utilizó para realizar una serie de nanoindentaciones con el modo FastMap en una baldosa utilizando un indentador Berkovich. Los parámetros de la prueba se resumen a continuación para las dos matrices de indentación creadas.

 

Cuadro 1: Resumen de los parámetros de ensayo.

 

RESULTADOS Y DEBATE 

 

Figura 1: Vista 2D y 3D de la cartografía de la dureza por indentación 625.

 

 

 

Figura 2: Micrografía de la matriz de 625 indentación que muestra el grano.

 

 

Se llevó a cabo una matriz de 625 indentaciones en un 0,20 mm² zona con una gran veta visible. Este grano (Figura 2) tenía una dureza media inferior a la superficie general de la baldosa. El software Nanovea Mechanical permite al usuario ver el mapa de distribución de la dureza en los modos 2D y 3D que se representan en la Figura 1. Utilizando el control de posición de alta precisión de la platina de muestras, el software permite a los usuarios seleccionar áreas como éstas para realizar un mapeo en profundidad de las propiedades mecánicas.

Figura 3: Vista 2D y 3D de la cartografía de dureza de 1600 indentaciones.

 

 

Figura 4: Micrografía de la matriz de 1600 sangrías.

 

 

También se creó una matriz de 1600 indentaciones en la misma baldosa para medir la homogeneidad de la superficie. También en este caso el usuario tiene la posibilidad de ver la distribución de la dureza en modo 3D o 2D (Figura 3), así como la imagen microscópica de la superficie indentada. Basándose en la distribución de dureza presentada, se puede concluir que el material es poroso debido a la dispersión uniforme de puntos de datos de dureza alta y baja.

En comparación con los procedimientos de nanoindentación convencionales, el modo FastMap de este estudio requiere mucho menos tiempo y es más rentable. Permite un rápido mapeo cuantitativo de las propiedades mecánicas, incluyendo la dureza y el módulo de Young, y proporciona una solución para la detección de grano y la consistencia del material, que es fundamental para el control de calidad de una variedad de materiales en la producción en masa.

 

 

CONCLUSIÓN

 

En este estudio, demostramos la capacidad del Nanovea Mechanical Tester para realizar mapas de nanoindentación rápidos y precisos utilizando el modo FastMap. Los mapas de propiedades mecánicas de la baldosa cerámica utilizan el control de posición (con una precisión de 0,2 µm) de las etapas y la sensibilidad del módulo de fuerza para detectar granos superficiales y medir la homogeneidad de una superficie a gran velocidad.

Los parámetros de ensayo utilizados en este estudio se determinaron en función del tamaño de la matriz y del material de la muestra. Se pueden elegir diversos parámetros de ensayo para optimizar el tiempo total del ciclo de indentación a 3 segundos por indentación (o 30 segundos por cada 10 indentaciones).

Los módulos Nano y Micro del Nanovea Mechanical Tester incluyen modos 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 gama inigualable de Nanovea es una solución ideal para determinar toda la gama de propiedades mecánicas de revestimientos, películas y sustratos finos o gruesos, blandos o duros, incluida la dureza, el módulo de Young, la tenacidad a la fractura, la adherencia, la resistencia al desgaste y muchas otras.

Además, se dispone de un perfilador 3D sin contacto y un módulo AFM opcionales para obtener imágenes 3D de alta resolución de la indentación, el rayado y la huella de desgaste, además de otras mediciones de superficies como la rugosidad.

 

Autor: Duanjie Li, PhD Revisado por Pierre Leroux & Jocelyn Esparza