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 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 físico-mecánicas, incluida la dureza, el módulo de Young, la fluencia, la tenacidad a la fractura y muchas otras.

 

 

Importancia de la indentación rápida del mapa

 

Un obstáculo importante para la popularización de la técnica de nanoindentación es el consumo de tiempo. 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, la aeroespacial, la de MEMS, la de productos de consumo como las baldosas cerámicas y muchas otras.

El mapeo rápido puede resultar esencial en la industria de fabricación de baldosas cerámicas. Los mapeos de los módulos de dureza y de Young en una sola baldosa cerámica pueden presentar una distribución de datos que indica cuán homogénea es la superficie. Las regiones más suaves en un mosaico se pueden delinear en este mapeo y mostrar ubicaciones más propensas a fallar debido a impactos físicos que ocurren día a día en la residencia de alguien. Se pueden realizar mapeos en diferentes tipos de baldosas para estudios comparativos y en un lote de baldosas similares para medir la consistencia de las baldosas en procesos de control de calidad. La combinación de configuraciones de mediciones puede ser extensa, además de precisa y eficiente con el método de mapeo rápido.

 

OBJETIVO DE MEDICIÓN

 

En este estudio, el Nanovea Probador Mecánico, en modo FastMap se utiliza para mapear las propiedades mecánicas de una losa a altas velocidades. Mostramos la capacidad del Nanovea Mechanical Tester para realizar dos mapeos rápidos de nanoindentación con alta precisión y reproducibilidad.

 

Condiciones de la prueba

 

El probador mecánico Nanovea se utilizó para realizar una serie de nanoindentaciones con el modo FastMap en una baldosa de suelo 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 la prueba.

 

RESULTADOS Y DISCUSIÓN 

 

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

 

 

 

Figura 2: Micrografía de la matriz de 625 indentados mostrando el grano.

 

 

Se realizó una matriz de 625 indentados en una² zona con un gran grano visible presente. Este grano (Figura 2) tenía una dureza media inferior a la de toda la superficie de la baldosa. El software Nanovea Mechanical permite al usuario ver el mapa de distribución de la dureza en modo 2D y 3D, que se representa en la Figura 1. Utilizando el control de posición de alta precisión de la etapa de la muestra, el software permite a los usuarios apuntar a áreas como estas para el mapeo de las propiedades mecánicas en profundidad.

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

 

 

Figura 4: Micrografía de la matriz de 1600 indicios.

 

 

También se creó una matriz de 1600 muescas 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 de microscopio 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 los puntos de datos de dureza alta y baja.

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

 

 

CONCLUSIÓN

 

En este estudio, mostramos la capacidad del Nanovea Mechanical Tester para realizar mapas de nanoindentación rápidos y precisos utilizando el modo FastMap. Los mapas de propiedades mecánicas en 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 los 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 puede elegir una variedad de parámetros de prueba para optimizar el tiempo total del ciclo de indentación a 3 segundos por indentación (o 30 segundos por cada 10 indentaciones).

Todos los módulos Nano y Micro del probador mecánico Nanovea incluyen modos de prueba de indentación, rayado y desgaste que cumplen con ISO y ASTM, lo que proporciona la gama de pruebas más amplia y fácil de usar disponible en un solo sistema. La incomparable gama de Nanovea es una solución ideal para determinar la gama completa de propiedades mecánicas de recubrimientos, películas y sustratos finos o gruesos, blandos o duros, incluida la dureza, el módulo de Young, la tenacidad a la fractura, la adhesión, 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 superficie como la rugosidad.

 

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