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El líder mundial en pruebas micromecánicas

AHORA EL LÍDER MUNDIAL

PRUEBAS MICROMECÁNICAS

Preparado por

PIERRE LEROUX y DUANJIE LI, PhD

INTRODUCCIÓN

Los Microdurómetros Vickers estándar tienen rangos de carga utilizables de 10 a 2000 gramos de fuerza (gf). Los Macro Durómetros Vickers estándar cargan de 1 a 50 Kgf. Estos instrumentos no sólo son muy limitados en cuanto a la gama de cargas, sino que también son inexactos cuando se trata de superficies más rugosas o de cargas bajas, cuando las muescas son demasiado pequeñas para ser medidas 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 aporta.

Con El sistema de ensayos micromecánicos líder en el mundo de NANOVEA, la dureza Vickers se calcula automáticamente a partir de los datos de profundidad frente a la carga con el rango de carga más amplio en un solo módulo jamás disponible (de 0,3 gramos a 2 Kg o de 6 gramos a 40 Kg). Dado que mide la dureza a partir de las curvas de profundidad frente a la carga, el Módulo NANOVEA Micro puede medir cualquier tipo de materiales, incluidos los muy elásticos. También puede proporcionar no sólo la dureza Vickers, sino también datos precisos del módulo elástico y de la fluencia, además de otros tipos de pruebas como la prueba de adhesión al rayado, el desgaste, la prueba de fatiga, el límite elástico y la tenacidad a la fractura para una gama completa de datos de control de calidad.

AHORA EL LÍDER MUNDIAL EN PRUEBAS MICROMECÁNICAS

En esta nota de aplicación, se explicará cómo se ha diseñado el Micro Module para ofrecer los principales ensayos de indentación y rayado instrumentados del mundo. La capacidad de ensayo de amplio rango del Micro Module es ideal para muchas aplicaciones. Por ejemplo, el rango de carga permite realizar mediciones precisas de la dureza y el módulo elástico de revestimientos duros y delgados, y luego puede aplicar cargas mucho más altas para medir la adherencia de estos mismos revestimientos.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

La capacidad del micromódulo se muestra con el NANOVEA Comprobador mecánico CB500 de
realizando tanto ensayos de indentación como de rayado con una precisión y fiabilidad superiores utilizando un amplio rango de carga de 0,03 a 200 N.

NANOVEA

CB500

CONDICIONES DE PRUEBA

Se realizó una serie (3×4, 12 indentaciones en total) de microindentaciones en una muestra de acero estándar utilizando un indentador Vickers. La carga y la profundidad se midieron y registraron para el ciclo completo de la prueba de indentación. Las indentaciones se realizaron con diferentes cargas máximas que iban de 0,03 N a 200 N (0,0031 a 20,4 kgf) para mostrar la capacidad del micromódulo de realizar ensayos de indentación precisos con diferentes cargas. Cabe destacar que también está disponible una célula de carga opcional de 20 N para proporcionar una resolución 10 veces mayor para los ensayos en el rango de carga inferior, desde 0,3 gf hasta 2 kgf.

Se realizaron dos ensayos de rayado con el Módulo Micro con una carga lineal creciente de 0,01 N a 200 N y de 0,01 N a 0,5 N, respectivamente, utilizando palpadores de diamante cónico-esféricos con radios de punta de 500 μm y 20 μm.

Se llevaron a cabo veinte ensayos de microindentación en la muestra estándar de acero a 4 N, mostrando la repetibilidad superior de los resultados del Micro Módulo que contrasta con el rendimiento de los durómetros Vickers convencionales.

*microindentador en la muestra de acero

PARÁMETROS DE LA PRUEBA

de la cartografía de indentación

MAPEO: 3 POR 4 INDENTOS

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

El nuevo Micro Módulo tiene una combinación única de motor Z, célula de carga de alta fuerza y un sensor de profundidad capacitivo de alta precisión. La utilización exclusiva de sensores de profundidad y carga independientes garantiza una gran precisión en todas las condiciones.

Los ensayos de dureza Vickers convencionales utilizan puntas de penetración piramidales con base de diamante que crean muescas de forma cuadrada. Midiendo la longitud media de la diagonal, d, se puede calcular la dureza Vickers.

En comparación, la técnica de indentación instrumentada utilizada por NANOVEAmide directamente las propiedades mecánicas a partir de las mediciones de carga y desplazamiento de la indentación. No es necesaria la observación visual de la indentación. Esto elimina los errores de procesamiento de imágenes del usuario o del ordenador en la determinación de los valores d de la indentación. El sensor de profundidad del condensador de alta precisión, con un nivel de ruido muy bajo de 0,3 nm, puede medir con precisión 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 la viga en voladizo utilizada por los competidores aplica la carga normal sobre una viga en voladizo mediante un muelle, y esta carga se aplica a su vez sobre el penetrador. Este diseño tiene un defecto en caso de que se aplique una carga elevada: la viga en voladizo no puede proporcionar una rigidez estructural suficiente, lo que provoca la deformación de la viga en voladizo y, a su vez, la desalineación del penetrador. En comparación, el Micro Módulo aplica la carga normal a través del motor Z que actúa sobre la célula de carga y, a continuación, el penetrador para la aplicación directa de la carga. Todos los elementos están alineados verticalmente para obtener la máxima rigidez, lo que garantiza mediciones de indentación y rayado repetibles y precisas en todo el rango de carga.

Primer plano del nuevo Micro Módulo

INDENTACIÓN 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 cargas inferiores es de 0,25 mm. El control de posición de alta precisión de la platina de la muestra permite a los usuarios seleccionar la ubicación objetivo para el mapeo de las propiedades mecánicas. Gracias a la excelente rigidez del micromódulo debido a la alineación vertical de sus componentes, el indentador Vickers mantiene una orientación vertical perfecta mientras penetra en la muestra de acero bajo una carga de hasta 200 N (400 N opcional). Esto crea impresiones de una forma cuadrada simétrica en la superficie de la muestra con diferentes cargas.

Las indentaciones individuales a diferentes cargas bajo el microscopio se muestran junto a los dos arañazos como se muestra en la FIGURA 2, para mostrar la capacidad del nuevo micromódulo en la realización de ensayos de indentación y de arañazos en un amplio rango de carga con una alta precisión. Como se muestra en los gráficos de carga normal frente a la longitud del rayado, la carga normal aumenta linealmente a medida que el palpador de diamante cónico-esférico se desliza sobre la superficie de la muestra de acero. Crea una pista de rayado lisa y recta de anchura y profundidad progresivamente mayores.

FIGURA 1: Mapa de indentación

Se realizaron dos ensayos de rayado con el Módulo Micro con una carga lineal creciente de 0,01 N a 200 N y de 0,01 N a 0,5 N, respectivamente, utilizando palpadores de diamante cónico-esféricos con radios de punta de 500 μm y 20 μm.

Se llevaron a cabo veinte ensayos de microindentación en la muestra estándar de acero a 4 N, mostrando la repetibilidad superior de los resultados del Micro Módulo que contrasta con el rendimiento de los durómetros Vickers convencionales.

A: HENDIDURA Y ARAÑAZO AL MICROSCOPIO (360X)

B: HENDIDURA Y RAYADO AL MICROSCOPIO (3000X)

FIGURA 2: Gráficos de carga vs. Desplazamiento a diferentes cargas máximas.

Las curvas carga-desplazamiento durante la indentación a diferentes cargas máximas se muestran en FIGURA 3. La dureza y el módulo elástico se resumen y comparan en la FIGURA 4. La muestra de acero exhibe un módulo elástico constante a lo largo de la carga de ensayo que va de 0,03 a 200 N (rango posible de 0,003 a 400 N), lo que resulta en un valor medio de ~211 GPa. La dureza exhibe un valor relativamente constante de ~6,5 GPa medido bajo una carga máxima superior a 100 N. A medida que la carga disminuye hasta un rango de 2 a 10 N, se mide una dureza media de ~9 GPa.

FIGURA 3: Gráficos de carga vs. Desplazamiento a diferentes cargas máximas.

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

INDENTACIÓN DE 0,03 A 200 N

Se realizaron 20 ensayos de microindentación con una carga máxima de 4N. Las curvas 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 carga-desplazamiento de los ensayos de microindentación a 4 N.

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

Las curvas carga-desplazamiento demuestran la superior repetibilidad del nuevo Micro Módulo. El estándar de acero posee una dureza Vickers de 842±11 HV medida por el nuevo Micro Módulo, 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 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 el indent a través de la inspección visual.

La ventaja de medir la profundidad para calcular la dureza también se hace evidente cuando se trata de muestras más ásperas o cuando son más difíciles de observar con los microscopios estándar que proporcionan los durómetros Vickers.

CONCLUSIÓN

En este estudio, hemos mostrado cómo el nuevo Módulo Micro de NANOVEA, líder mundial (rango de 200 N), realiza mediciones de indentación y rayado inigualables, reproducibles y precisas, en un amplio rango de carga de 0,03 a 200 N (3 gf a 20,4 kgf). Un Micro Módulo opcional de rango inferior puede proporcionar pruebas de 0,003 a 20 N (0,3 gf a 2 kgf). La exclusiva alineación vertical del motor Z, la célula de carga de alta fuerza y el sensor de profundidad garantizan la máxima rigidez estructural durante las mediciones. Las hendiduras medidas con diferentes cargas poseen todas ellas una forma cuadrada simétrica en la superficie de la muestra. En el ensayo de rayado con una carga máxima de 200 N se crea una huella de rayado recta de anchura y profundidad progresivamente mayores.

El nuevo Micromódulo puede configurarse en la base mecánica PB1000 (150 x 200 mm) o en la CB500 (100 x 50 mm) con una motorización z (rango de 50 mm). Combinado con un potente sistema de cámaras (precisión de posición de 0,2 micras), los sistemas proporcionan las mejores capacidades de automatización y mapeo del mercado. NANOVEA también ofrece una función única patentada (EP No. 30761530) que permite la verificación y calibración de los indentadores Vickers realizando un único indentador en todo el rango de cargas. Por el contrario, los durómetros Vickers estándar sólo pueden proporcionar la calibración en una carga.

Además, el software NANOVEA permite al usuario medir la dureza Vickers a través del método tradicional de medición de las diagonales de indentación si es necesario (para ASTM E92 y E384). Como se muestra, en este documento, los ensayos de dureza de profundidad frente a la carga (ASTM E2546 e ISO 14577) realizados por un Micro Módulo NANOVEA son precisos y reproducibles en comparación con los durómetros tradicionales. Especialmente para las muestras que no pueden ser observadas/medidas con un microscopio.

En conclusión, la mayor precisión y repetibilidad del diseño del Micromódulo con su amplia gama de cargas y ensayos, su alta automatización y sus opciones de mapeo hacen que los durómetros Vickers tradicionales queden obsoletos. Pero lo mismo ocurre con los durómetros de arañazos y micro arañazos que aún se ofrecen en la actualidad, pero que se diseñaron con defectos en la década de 1980.

El desarrollo y la mejora continuos de esta tecnología hacen de NANOVEA un líder mundial en ensayos micromecánicos.

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