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 tensión-deformación a nanoescala permite estudiar propiedades importantes en pequeños recubrimientos y partículas de los materiales a medida que éstos avanzan. La nanoindentación proporciona información sobre el límite elástico y el límite de elasticidad, además de la dureza, el módulo elástico, la fluencia, la tenacidad 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 cuando sólo se adentra 1,2 micras en la superficie. Utilizamos el CSM para determinar la evolución de 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 muestras de ensayo.

El ensayo CSM es útil para medir las propiedades del material en función de la profundidad. Pueden realizarse ensayos cíclicos con cargas constantes para determinar 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 comprobador 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 ensayo

Se utilizaron los siguientes parámetros de indentación:

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 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 procedente 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 en función de la deformación del material muestra las zonas elástica y plástica 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 0,076 de deformación con un límite elástico de 1,45 GPa.

Cada ciclo actúa como un único indent, de modo que a medida que aumentamos la carga, realizamos ensayos a varias profundidades controladas en el acero. Así, la dureza y el módulo elástico en función de la profundidad pueden trazarse directamente a partir de los datos obtenidos para cada ciclo.

A medida que el penetrador penetra en el material, la dureza aumenta y el módulo elástico disminuye.

Conclusión

Hemos demostrado que el comprobador mecánico Nanovea proporciona datos fiables de tensión-deformación. El uso de una punta esférica con indentación CSM permite medir las propiedades de los materiales bajo una mayor tensión. La carga y el radio del penetrador pueden modificarse para ensayar diversos materiales a profundidades controladas. Los comprobadores mecánicos Nanovea permiten realizar estos ensayos de indentación desde el rango submN hasta 400N.