Progressive Wear Mapping of Flooring using Tribometer

Progressive Wear Mapping of Flooring

Using Tribometer with integrated Profilometer

Préparé par

FRANK LIU

INTRODUCTION

Flooring materials are designed to be durable, but they often suﬀer wear and tear from everyday activities such as movement and furniture use. To ensure their longevity, most types of ﬂooring have a protective wear layer that resists damage. However, the thickness and durability of the wear layer vary depending on the ﬂooring type and level of foot traﬃc. In addition, diﬀerent layers within the ﬂooring structure, such as UV coatings, decorative layers, and glaze, have varying wear rates. That’s where progressive wear mapping comes in. Using the NANOVEA T2000 Tribometer with an integrated 3D Non-Contact Proﬁlometer, precise monitoring, and analysis of the performance and longevity of ﬂooring materials can be done. By providing detailed insight into the wear behavior of various ﬂooring materials, scientists and technical professionals can make more informed decisions when selecting and designing new ﬂooring systems.

IMPORTANCE OF PROGRESSIVE WEAR MAPPING FOR FLOOR PANELS

Flooring testing has traditionally centered on the wear rate of a sample to determine its durability against wear. However, progressive wear mapping allows analyzing the sample’s wear rate throughout the test, providing valuable insights into its wear behavior. This in-depth analysis allows for correlations between friction data and wear rate, which can identify the root causes of wear. It should be noted that wear rates are not constant throughout wear tests. Thus, observing the progression of wear gives a more accurate assessment of the sample’s wear. Progressing beyond traditional testing methods, the adoption of progressive wear mapping has contributed to significant advancements in the field of flooring testing.

The NANOVEA T2000 Tribometer with an integrated 3D Non-Contact Profilometer is a groundbreaking solution for wear testing and volume loss measurements. Its ability to move with precision between the pin and the profilometer guarantees the reliability of results by eliminating any deviation in wear track radius or location. But that’s not all – the 3D Non-Contact Profilometer’s advanced capabilities allow for high-speed surface measurements, reducing scanning time to mere seconds. With the capability of applying loads of up to 2,000 N and achieving spinning speeds of up to 5,000 rpm, the NANOVEA T2000 Tribometer offers versatility and precision in the evaluation process. It’s clear that this equipment holds a vital role in progressive wear mapping.

FIGURE 1 : Sample set-up prior to wear testing (left) and post-wear test profilometry of the wear track (right).

OBJECTIF DE MESURE

Progressive wear mapping testing was performed on two types of flooring materials: stone and wood. Each sample underwent a total of 7 test cycles, with increasing test durations of 2, 4, 8, 20, 40, 60, and 120 s, allowing for a comparison of wear over time. After each test cycle, the wear track was profiled using the NANOVEA 3D Non-Contact Profilometer. From the data collected by the profiler, the volume of the hole and wear rate can be analyzed using the integrated features in the NANOVEA Tribometer software or our surface analysis software, Mountains.

NANOVEA

T2000

THE SAMPLES

WEAR MAPPING TEST PARAMETERS

CHARGE	40 N
DURÉE DU TEST	varies
VITESSE	200 rpm
RADIUS	10 mm
DISTANCE	varies
BALL MATERIAL	Tungsten Carbide
BALL DIAMETER	10 mm

Test duration used over the 7 cycles were 2, 4, 8, 20, 40, 60, and 120 seconds, respectively. The distances traveled were 0.40, 0.81, 1.66, 4.16, 8.36, 12.55, and 25.11 meters.

WEAR MAPPING RESULTS

WOOD FLOORING

*Test Cycle*	*Max COF*	*Min COF*	*Avg. COF*
1	0.335	0.124	0.275
2	0.337	0.207	0.295
3	0.380	0.229	0.329
4	0.393	0.265	0.354
5	0.352	0.205	0.314
6	0.345	0.199	0.312
7	0.315	0.211	0.293

ORIENTATION RADIALE

*Test Cycle*	*Total Volume Loss (µm3*	Total Distance Traveled (m)	Taux d'usure (mm/Nm) x10^-5	Instantaneous Wear Rate (mm/Nm) x10^-5
1	296247687	0.40	1833.746	1833.746
2	355245227	1.22	1093.260	181.5637
3	596371326	2.88	898.242	363.1791
4	883747767	7.04	530.629	172.5496
5	1207179951	15.40	360.889	96.69074
6	1472745318	27.95	293.329	52.89311
7	1851319210	53.06	184.343	37.69599

FIGURE 2 : Wear rate vs total distance traveled (left)
and instantaneous wear rate vs test cycle (right) for wood flooring.

FIGURE 3 : COF graph and 3D view of wear track from test #7 on wood flooring.

FIGURE 4 : Cross-Sectional Analysis of Wood Wear Track from Test #7

FIGURE 5 : Volume and Area Analysis of Wear Track on Wood Sample Test #7.

For full result details, click here.

WEAR MAPPING RESULTS

STONE FLOORING

*Test Cycle*	*Max COF*	*Min COF*	*Avg. COF*
1	0.249	0.035	0.186
2	0.349	0.197	0.275
3	0.294	0.154	0.221
4	0.503	0.124	0.273
5	0.548	0.106	0.390
6	0.510	0.129	0.434
7	0.527	0.181	0.472

ORIENTATION RADIALE

*Test Cycle*	*Total Volume Loss (µm3*	Total Distance Traveled (m)	Taux d'usure (mm/Nm) x10^-5	Instantaneous Wear Rate (mm/Nm) x10^-5
1	96278846	0.40	595.957	595.9573
2	804289731	1.22	2475.185	2178.889
3	1316147855	2.88	1982.355	770.9501
4	3136530215	7.04	1883.269	1093.013
5	10821732180	15.40	3235.180	2297.508
6	20174960343	27.95	4018.282	1862.899
7	42512063420	53.06	4233.081	2224.187

FIGURE 6 : Wear rate vs total distance travelled (left)
and instantaneous wear rate vs test cycle (right) for stone flooring.

FIGURE 7 : COF graph and 3D view of wear track from test #7 on stone flooring.

FIGURE 8 : Cross-Sectional Analysis of Stone Wear Track from Test #7.

FIGURE 9: Volume and Area Analysis of Wear Track on Stone Sample Test #7.

For full result details, click here.

DISCUSSION

The instantaneous wear rate is calculated with the following equation:

Where V is the volume of a hole, N is the load, and X is the total distance, this equation describes the wear rate between test cycles. The instantaneous wear rate can be used to better identify changes in wear rate throughout the test.

Both samples have very different wear behaviors. Over time, the wood flooring starts with a high wear rate but quickly drops to a smaller, steady value. For the stone flooring, the wear rate appears to start at a low value and trends to a higher value over cycles. The instantaneous wear rate also shows little consistency. The specific reason for the difference is not certain but may be due to the structure of the samples. The stone flooring seems to consist of loose grain-like particles, which would wear differently compared to the wood’s compact structure. Additional testing and research would be needed to ascertain the cause of this wear behavior.

The data from the coefficient of friction (COF) seems to agree with the observed wear behavior. The COF graph for the wood flooring appears consistent throughout the cycles, complementing its steady wear rate. For the stone flooring, the average COF increases throughout the cycles, similar to how the wear rate also increases with cycles. There are also apparent changes in the shape of the friction graphs, suggesting changes in how the ball is interacting with the stone sample. This is most apparent in cycle 2 and cycle 4.

CONCLUSION

The NANOVEA T2000 Tribometer showcases its ability to perform progressive wear mapping by analyzing the wear rate between two different flooring samples. Pausing the continuous wear test and scanning the surface with the NANOVEA 3D Non-Contact Profilometer provides valuable insights into the material’s wear behavior over time.

The NANOVEA T2000 Tribometer with the integrated 3D Non-Contact Profilometer provides a wide variety of data, including COF (Coefficient of Friction) data, surface measurements, depth readings, surface visualization, volume loss, wear rate, and more. This comprehensive set of information allows users to gain a deeper understanding of the interactions between the system and the sample. With its controlled loading, high precision, ease of use, high loading, wide speed range, and additional environmental modules, the NANOVEA T2000 Tribometer takes tribology to the next level.

MAINTENANT, PARLONS DE VOTRE CANDIDATURE

Analyse mécanique dynamique du liège par nanoindentation

ANALYSE MÉCANIQUE DYNAMIQUE

DU LIÈGE PAR NANOINDENTATION

Préparé par

FRANK LIU

INTRODUCTION

L'analyse mécanique dynamique (DMA) est une technique puissante utilisée pour étudier les propriétés mécaniques des matériaux. Dans cette application, nous nous concentrons sur l'analyse du liège, un matériau largement utilisé dans les processus de scellage et de vieillissement du vin. Le liège, obtenu à partir de l'écorce du chêne Quercus suber, présente des structures cellulaires distinctes qui lui confèrent des propriétés mécaniques semblables à celles des polymères synthétiques. Dans un axe, le liège a une structure en nid d'abeille. Les deux autres axes sont structurés en de multiples prismes rectangulaires. Cela confère au liège des propriétés mécaniques diﬀérentes en fonction de l'orientation testée.

IMPORTANCE DES ESSAIS D'ANALYSE MÉCANIQUE DYNAMIQUE (AMD) DANS L'ÉVALUATION DES PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES DU LIÈGE

La qualité des bouchons dépend en grande partie de leurs propriétés mécaniques et physiques, qui sont cruciales pour leur eﬀectivité dans le bouchage du vin. Les facteurs clés qui déterminent la qualité du liège sont la ﬂexibilité, l'isolation, la résilience et l'imperméabilité aux gaz et aux liquides. En utilisant l'analyse mécanique dynamique (DMA), nous pouvons évaluer quantitativement les propriétés de ﬂexibilité et de résilience des bouchons, fournissant ainsi une méthode d'évaluation fiable.

Le testeur mécanique NANOVEA PB1000 en mode nanoindentation permet de caractériser ces propriétés, notamment le module d'Young, le module de stockage, le module de perte et le tan delta (tan (δ)). Les essais DMA permettent également de recueillir des données précieuses sur le déphasage, la dureté, la contrainte et la déformation du matériau liège. Ces analyses complètes nous permettent de mieux comprendre le comportement mécanique des bouchons et leur adéquation aux applications de bouchage du vin.

OBJECTIF DE MESURE

Dans cette étude, nous avons effectué une analyse mécanique dynamique (DMA) sur quatre bouchons de liège en utilisant le testeur mécanique NANOVEA PB1000 en mode nanoindentation. La qualité des bouchons de liège est étiquetée comme suit : 1 - Flor, 2 - First, 3 - Colm : 1 - Flor, 2 - Premier, 3 - Colmaté, 4 - Caoutchouc synthétique. Des tests d'indentation DMA ont été effectués dans les directions axiale et radiale pour chaque bouchon de liège. En analysant la réponse mécanique des bouchons de liège, nous avons cherché à comprendre leur comportement dynamique et à évaluer leurs performances dans des orientations différentes.

NANOVEA

PB1000

PARAMÈTRES D'ESSAI

FORCE MAXIMALE	75 mN
TAUX DE CHARGEMENT	150 mN/min
TAUX DE DÉCHARGEMENT	150 mN/min
AMPLITUDE	5 mN
FRÉQUENCE	1 Hz
CREEP	60 s

type de pénétrateur

Boule

51200 Acier

3 mm de diamètre

RÉSULTATS

Dans les tableaux et les graphiques ci-dessous, le module de Young, le module de stockage, le module de perte et le tan delta sont comparés entre chaque échantillon et chaque orientation.

Module d'Young : Stiﬀness ; des valeurs élevées indiquent la stiﬀ, des valeurs faibles indiquent la ﬂexibilité.

Module de stockage : Réponse élastique ; énergie stockée dans le matériau.

Module de perte : Réponse visqueuse ; perte d'énergie due à la chaleur.

Tan (δ) : Amortissement ; des valeurs élevées indiquent un amortissement plus important.

ORIENTATION AXIALE

*Bouchon*	*MODULE DE YOUNG*	*MODULE DE STOCKAGE*	*MODULE DE PERTE*	*TAN*
#	*(MPa)*	*(MPa)*	*(MPa)*	*(δ)*
1	22.5675	22.27209	3.624947	0.162964
2	18.54664	18.27153	3.162349	0.17409
3	23.75381	23.47267	3.617819	0.154592
4	23.6972	23.58064	2.347008	0.099539

ORIENTATION RADIALE

*Bouchon*	*MODULE DE YOUNG*	*MODULE DE STOCKAGE*	*MODULE DE PERTE*	*TAN*
#	*(MPa)*	*(MPa)*	*(MPa)*	*(δ)*
1	24.78863	24.56542	3.308224	0.134865
2	26.66614	26.31739	4.286216	0.163006
3	44.07867	43.61426	6.365979	0.146033
4	28.04751	27.94148	2.435978	0.087173

MODULE DE YOUNG

MODULE DE STOCKAGE

MODULE DE PERTE

TAN DELTA

Entre les bouchons, le module de Young n'est pas très différent lorsqu'il est testé dans l'orientation axiale. Seuls les bouchons #2 et #3 présentent une différence apparente de module d'Young entre la direction radiale et la direction axiale. Par conséquent, le module de stockage et le module de perte seront également plus élevés dans la direction radiale que dans la direction axiale. Le bouchon #4 présente des caractéristiques similaires à celles des bouchons en liège naturel, à l'exception du module de perte. Ceci est très intéressant car cela signifie que le liège naturel a une propriété plus visqueuse que le caoutchouc synthétique.

CONCLUSION

Le testeur mécanique NANOVEA en mode "Nano Scratch Tester" permet de simuler de nombreuses défaillances réelles de revêtements de peinture et de couches dures. En appliquant des charges croissantes de manière contrôlée et étroitement surveillée, l'instrument permet d'identifier à quelle charge les défaillances se produisent. Cela permet ensuite de déterminer des valeurs quantitatives pour la résistance aux rayures. On sait que le revêtement testé, sans altération, présente une première fissure à environ 22 mN. Avec des valeurs plus proches de 5 mN, il est clair que les 7 années de recouvrement ont dégradé la peinture.

La compensation du profil original permet d'obtenir une profondeur corrigée pendant la rayure et de mesurer la profondeur résiduelle après la rayure. Cela donne des informations supplémentaires sur le comportement plastique ou élastique du revêtement sous l'effet d'une charge croissante. La fissuration et les informations sur la déformation peuvent être très utiles pour améliorer la couche dure. Les écarts types très faibles montrent également la reproductibilité de la technique de l'instrument, ce qui peut aider les fabricants à améliorer la qualité de leur couche dure/peinture et à étudier les eﬀets des intempéries.

MAINTENANT, PARLONS DE VOTRE CANDIDATURE

Nano Scratch & Mar Testing of Paint on Metal Substrate (Essais de rayures et de marques sur des substrats métalliques)

Nano Scratch & Mar Testing

de la peinture sur le substrat métallique

Préparé par

SUSANA CABELLO

INTRODUCTION

La peinture, avec ou sans couche dure, est l'un des revêtements les plus couramment utilisés. On la trouve sur les voitures, les murs, les appareils électroménagers et pratiquement tout ce qui a besoin d'un revêtement protecteur ou simplement à des fins esthétiques. Les peintures destinées à protéger le support sous-jacent contiennent souvent des produits chimiques qui empêchent la peinture de s'enflammer ou simplement de perdre sa couleur ou de se craqueler. Souvent, la peinture utilisée à des fins esthétiques est disponible en différentes couleurs, mais elle n'est pas nécessairement destinée à la protection du support ou à une longue durée de vie.

Néanmoins, toutes les peintures subissent des altérations au fil du temps. Les intempéries peuvent souvent modifier les propriétés de la peinture par rapport à ce que les fabricants avaient prévu. Elle peut s'écailler plus rapidement, se décoller à la chaleur, perdre sa couleur ou se fissurer. Les diﬀérents changements de propriétés de la peinture au fil du temps expliquent pourquoi les fabricants oﬀrent un si large choix. Les peintures sont conçues pour répondre aux différentes exigences des clients.

L'IMPORTANCE DES ESSAIS PAR NANO-RAYURES POUR LE CONTRÔLE DE LA QUALITÉ

L'une des principales préoccupations des fabricants de peinture est la capacité de leur produit à résister aux craquelures. Lorsque la peinture commence à se craqueler, elle ne protège plus le support sur lequel elle a été appliquée et ne satisfait donc plus le client. Par exemple, si une branche frappe le côté d'une voiture et que la peinture commence immédiatement à s'écailler, les fabricants de peinture perdront des clients en raison de la mauvaise qualité de leur peinture. La qualité de la peinture est très importante car si le métal sous la peinture est exposé, il peut commencer à rouiller ou à se corroder en raison de cette nouvelle exposition.

Ces raisons s'appliquent à plusieurs autres domaines tels que les articles ménagers et de bureau, l'électronique, les jouets, les outils de recherche et bien d'autres encore. Bien que la peinture puisse être résistante à la fissuration lorsqu'elle est appliquée pour la première fois sur des revêtements métalliques, ses propriétés peuvent changer au fil du temps lorsque l'échantillon a subi des intempéries. C'est pourquoi il est très important de tester les échantillons de peinture à leur stade d'altération. Bien que la fissuration sous une forte contrainte soit inévitable, le fabricant doit prévoir à quel point les changements peuvent s'affaiblir avec le temps et quelle doit être la profondeur de la rayure d'aﬀectation afin de fournir à ses consommateurs les meilleurs produits possibles.

OBJECTIF DE MESURE

Nous devons simuler le processus de grattage de manière contrôlée et surveillée pour observer les eﬀets du comportement de l'échantillon. Dans cette application, le testeur mécanique NANOVEA PB1000 en mode Nano Scratch Testing est utilisé pour mesurer la charge nécessaire pour provoquer la rupture d'un échantillon de peinture de 30 à 50 μm d'épaisseur sur un substrat métallique, vieux d'environ 7 ans.

Un stylet à pointe diamantée de 2 μm est utilisé avec une charge progressive allant de 0,015 mN à 20,00 mN pour rayer le revêtement. Nous avons effectué un balayage préalable et postérieur de la peinture avec une charge de 0,2 mN afin de déterminer la valeur de la profondeur réelle de la rayure. La profondeur réelle analyse la déformation plastique et élastique de l'échantillon pendant l'essai, tandis que le balayage a posteriori n'analyse que la déformation plastique de la rayure. Le point où le revêtement se fissure est considéré comme le point de rupture. Nous avons utilisé l'ASTMD7187 comme guide pour déterminer nos paramètres d'essai.

Nous pouvons conclure que le fait d'avoir utilisé un échantillon altéré, et donc d'avoir testé un échantillon de peinture à son stade le plus faible, nous a permis d'obtenir des points de défaillance moins élevés.

Cinq tests ont été effectués sur cet échantillon afin de

déterminer les charges critiques de rupture exactes.

NANOVEA

PB1000

PARAMÈTRES D'ESSAI

suivants ASTM D7027

La surface d'un étalon de rugosité a été scannée à l'aide d'un NANOVEA ST400 équipé d'un capteur à grande vitesse qui génère une ligne lumineuse de 192 points, comme le montre la FIGURE 1. Ces 192 points balayent la surface de l'échantillon en même temps, ce qui augmente considérablement la vitesse de balayage.

TYPE DE CHARGE	Progressif
CHARGE INITIALE	0,015 mN
CHARGE FINALE	20 mN
TAUX DE CHARGEMENT	20 mN/min
LONGUEUR DU GRATTAGE	1,6 mm
VITESSE DE RACHAT, dx/dt	1,601 mm/min
PRE-SCAN LOAD	0,2 mN
CHARGEMENT POST-SCAN	0,2 mN

type de pénétrateur

Conique

Cône 90° diamant

2 µm rayon de la pointe

RÉSULTATS

Cette section présente les données recueillies sur les défaillances au cours de l'essai de rayage. La première section décrit les défaillances observées lors de l'essai de rayage et définit les charges critiques qui ont été signalées. La partie suivante contient un tableau récapitulatif des charges critiques pour tous les échantillons, ainsi qu'une représentation graphique. La dernière partie présente les résultats détaillés pour chaque échantillon : les charges critiques pour chaque rayure, les micrographies de chaque défaillance et le graphique du test.

DÉFAILLANCES OBSERVÉES ET DÉFINITION DES CHARGES CRITIQUES

L'ÉCHEC CRITIQUE :

DOMMAGES INITIAUX

C'est le premier point où les dommages sont observés le long de la piste de grattage.

L'ÉCHEC CRITIQUE :

DOMMAGE COMPLET

À ce stade, les dégâts sont plus importants : la peinture s'écaille et se fissure le long de la ligne de démarcation.

RÉSULTATS DÉTAILLÉS

* Les valeurs de rupture sont prises au point de fissuration du substrat.

CHARGES CRITIQUES
RAYURE	Dommage initial [mN]	DOMMAGE COMPLET [µm]
1	14.513	4.932
2	3.895	4.838
3	3.917	4.930

MOYENNE	3.988	4.900
STD DEV	0.143	0.054

FIGURE 2 : Micrographie d'une rayure complète (magniﬁcation 1000x).

FIGURE 3 : Micrographie des dommages initiaux (magniﬁcation 1000x).

FIGURE 4 : Micrographie d'un dommage complet (magniﬁcation 1000x).

FIGURE 5 : Force de frottement et Coeﬃcient de frottement.

FIGURE 6 : Profil de surface.

FIGURE 7 : Profondeur réelle et profondeur résiduelle.

CONCLUSION

MAINTENANT, PARLONS DE VOTRE CANDIDATURE

Inspection par cartographie de la rugosité à l'aide de la profilométrie 3D

INSPECTION DE LA CARTOGRAPHIE DE LA RUGOSITÉ

EN UTILISANT LA PROFILOMÉTRIE 3D

Préparé par

DUANJIE, PhD

INTRODUCTION

La rugosité et la texture de la surface sont des facteurs critiques qui ont un impact sur la qualité finale et les performances d'un produit. Une compréhension approfondie de la rugosité, de la texture et de la consistance de la surface est essentielle pour sélectionner les meilleures mesures de traitement et de contrôle. Une inspection en ligne rapide, quantifiable et fiable des surfaces des produits est nécessaire pour identifier à temps les produits défectueux et optimiser les conditions de la chaîne de production.

IMPORTANCE DU PROFILOMETRE 3D SANS CONTACT POUR L'INSPECTION DE SURFACE EN LIGNE

Les défauts de surface des produits résultent du traitement des matériaux et de la fabrication des produits. L'inspection en ligne de la qualité des surfaces garantit un contrôle de qualité très strict des produits finis. Les profileurs optiques sans contact NANOVEA 3D utilisent la technologie de la lumière chromatique avec la capacité unique de déterminer la rugosité d'un échantillon sans contact. Le capteur linéaire permet de scanner le profil 3D d'une grande surface à grande vitesse. Le seuil de rugosité, calculé en temps réel par le logiciel d'analyse, sert d'outil rapide et fiable pour déterminer la réussite ou l'échec.

OBJECTIF DE MESURE

Dans cette étude, le NANOVEA ST400 équipé d'un capteur à grande vitesse est utilisé pour inspecter la surface d'un échantillon de Teﬂon présentant un défaut afin de démontrer la capacité du NANOVEA

Les proﬁlomètres sans contact permettent une inspection rapide et fiable des surfaces dans une chaîne de production.

NANOVEA

ST400

RÉSULTATS ET DISCUSSION

Analyse de surface en 3D de la Rugosité Échantillon standard

La FIGURE 2 montre des vues en fausses couleurs de la carte de hauteur de surface et de la carte de distribution de la rugosité de l'échantillon standard de rugosité. Dans la FIGURE 2a, l'échantillon de rugosité standard présente une surface légèrement inclinée, comme le montre le gradient de couleur varié dans chacun des blocs de rugosité standard. Dans la FIGURE 2b, la distribution homogène de la rugosité est représentée dans les différents blocs de rugosité, dont la couleur représente la rugosité dans les blocs.

La FIGURE 3 montre des exemples de cartes de réussite/échec générées par le logiciel d'analyse en fonction de différents seuils de rugosité. Les blocs de rugosité sont surlignés en rouge lorsque leur rugosité de surface est supérieure à une certaine valeur seuil. L'utilisateur dispose ainsi d'un outil lui permettant de définir un seuil de rugosité pour déterminer la qualité de l'état de surface d'un échantillon.

FIGURE 1 : Balayage du capteur de lignes optiques sur l'échantillon de l'étalon de rugosité

a. Carte des hauteurs de surface :

b. Carte de rugosité :

FIGURE 2 : Vues en fausses couleurs de la carte de hauteur de surface et de la carte de distribution de la rugosité de l'échantillon standard de rugosité.

FIGURE 3 : Carte de réussite/échec basée sur le seuil de rugosité.

Inspection de la surface d'un échantillon de teﬂon présentant des défauts

La carte de hauteur de surface, la carte de distribution de la rugosité et la carte de seuil de rugosité Pass/Fail de la surface de l'échantillon de Teﬂon sont illustrées dans la FIGURE 4. L'échantillon de Teﬂon présente une crête au centre droit de l'échantillon, comme le montre la carte de la hauteur de surface.

a. Carte des hauteurs de surface :

Les diﬀérentes couleurs de la palette de la FIGURE 4b représentent la valeur de rugosité de la surface locale. La carte de rugosité montre une rugosité homogène dans la zone intacte de l'échantillon de Teﬂon. Cependant, les défauts, sous la forme d'un anneau dentelé et d'une cicatrice d'usure, sont mis en évidence par des couleurs vives. L'utilisateur peut facilement définir un seuil de rugosité Pass/Fail pour localiser les défauts de surface, comme le montre la FIGURE 4c. Cet outil permet aux utilisateurs de contrôler in situ la qualité de la surface du produit dans la chaîne de production et de détecter à temps les produits défectueux. La valeur de rugosité en temps réel est calculée et enregistrée lorsque les produits passent devant le capteur optique en ligne, ce qui peut constituer un outil rapide mais fiable pour le contrôle de la qualité.

b. Carte de rugosité :

c. Carte du seuil de rugosité (réussite/échec) :

FIGURE 4 : Carte de hauteur de surface, carte de distribution de la rugosité, et Carte du seuil de rugosité (réussite/échec) de la surface de l'échantillon de Teﬂon.

CONCLUSION

Dans cette application, nous avons montré comment le profileur optique sans contact NANOVEA ST400 3D, équipé d'un capteur de ligne optique, constitue un outil de contrôle de la qualité fiable, eﬀective et efficace.

Le capteur de ligne optique génère une ligne lumineuse de 192 points qui balayent la surface de l'échantillon en même temps, ce qui permet d'augmenter considérablement la vitesse de balayage. Il peut être installé sur la ligne de production pour contrôler la rugosité de la surface des produits in situ. Le seuil de rugosité constitue un critère fiable pour déterminer la qualité de la surface des produits, ce qui permet aux utilisateurs de détecter à temps les produits défectueux.

Les données présentées ici ne représentent qu'une partie des calculs disponibles dans le logiciel d'analyse. Les profilomètres NANOVEA mesurent pratiquement toutes les surfaces dans des domaines tels que les semi-conducteurs, la microélectronique, l'énergie solaire, les fibres optiques, l'automobile, l'aérospatiale, la métallurgie, l'usinage, les revêtements, la pharmacie, la biomédecine, l'environnement et bien d'autres encore.

MAINTENANT, PARLONS DE VOTRE CANDIDATURE

Dureté à la rayure à haute température à l'aide d'un tribomètre

DURETÉ À LA RAYURE À HAUTE TEMPÉRATURE

EN UTILISANT UN TRIBOMÈTRE

Préparé par

DUANJIE, PhD

INTRODUCTION

La dureté mesure la résistance des matériaux à une déformation permanente ou plastique. Développé à l'origine par un minéralogiste allemand, Friedrich Mohs, en 1820, le test de dureté par rayure détermine la dureté d'un matériau aux rayures et à l'abrasion dues au frottement d'un objet pointu.¹. L'échelle de Mohs étant un indice comparatif plutôt qu'une échelle linéaire, une mesure plus précise et qualitative de la dureté par rayure a été mise au point, comme le décrit la norme ASTM G171-03.². Il mesure la largeur moyenne de la rayure créée par un stylet diamanté et calcule l'indice de dureté de la rayure (HSP).

IMPORTANCE DE LA MESURE DE LA DURETÉ PAR RAYURE À HAUTE TEMPÉRATURE

Les matériaux sont choisis en fonction des exigences de service. Pour les applications impliquant des changements de température importants et des gradients thermiques, il est essentiel d'étudier les propriétés mécaniques des matériaux à haute température afin de connaître parfaitement les limites mécaniques. Les matériaux, en particulier les polymères, se ramollissent généralement à haute température. De nombreuses défaillances mécaniques sont dues à la déformation par fluage et à la fatigue thermique qui ne se produisent qu'à des températures élevées. Il est donc nécessaire de disposer d'une technique fiable pour mesurer la dureté à haute température afin de garantir une sélection adéquate des matériaux pour les applications à haute température.

OBJECTIF DE MESURE

Dans cette étude, le tribomètre NANOVEA T50 mesure la dureté par rayure d'un échantillon de Téflon à différentes températures allant de la température ambiante à 300ºC. La possibilité de mesurer la dureté par rayure à haute température fait du tribomètre NANOVEA un système polyvalent pour les évaluations tribologiques et mécaniques des matériaux destinés aux applications à haute température.

NANOVEA

T50

CONDITIONS DE TEST

Le tribomètre standard à poids libre NANOVEA T50 a été utilisé pour effectuer les tests de dureté par rayure sur un échantillon de téflon à des températures allant de la température ambiante (RT) à 300°C. Le téflon a un point de fusion de 326,8°C. Un stylet conique en diamant d'un angle d'apex de 120° avec un rayon de pointe de 200 µm a été utilisé. L'échantillon de téflon a été fixé sur la platine d'échantillonnage rotative à une distance de 10 mm du centre de la platine. L'échantillon a été chauffé par un four et testé aux températures suivantes : RT, 50°C, 100°C, 150°C, 200°C, 250°C et 300°C.

PARAMÈTRES D'ESSAI

de la mesure de la dureté par rayure à haute température

FORCE NORMALE	2 N
VITESSE DE GLISSEMENT	1 mm/s
DISTANCE DE GLISSEMENT	8mm par temp
ATMOSPHÈRE	Air
TEMPÉRATURE	RT, 50°C, 100°C, 150°C, 200°C, 250°C, 300°C.

RÉSULTATS ET DISCUSSION

Les profils des traces de rayure de l'échantillon de téflon à différentes températures sont illustrés à la FIGURE 1 afin de comparer la dureté de la rayure à différentes températures élevées. L'amas de matériau sur les bords de la piste de rayure se forme lorsque le stylet se déplace à une charge constante de 2 N et pénètre dans l'échantillon de téflon, poussant et déformant le matériau dans la piste de rayure sur le côté.

Les traces de rayures ont été examinées au microscope optique, comme indiqué sur la FIGURE 2. La largeur des traces de rayure mesurée et les indices de dureté de la rayure (HSP) calculés sont résumés et comparés dans la FIGURE 3. La largeur des traces de rayure mesurée par le microscope est en accord avec celle mesurée à l'aide du profileur NANOVEA - l'échantillon de téflon présente une largeur de rayure plus importante à des températures plus élevées. La largeur de la trace de rayure passe de 281 à 539 µm lorsque la température passe de RT à 300oC, ce qui entraîne une diminution de la HSP de 65 à 18 MPa.

La dureté par rayure à des températures élevées peut être mesurée avec une précision et une répétabilité élevées en utilisant le tribomètre NANOVEA T50. Il offre une solution alternative aux autres mesures de dureté et fait des tribomètres NANOVEA un système plus complet pour des évaluations tribo-mécaniques complètes à haute température.

FIGURE 1 : Profils des traces de rayures après les tests de dureté à la rayure à différentes températures.

FIGURE 2 : Traces de rayures sous le microscope après les mesures à différentes températures.

FIGURE 3 : Évolution de la largeur de la trace de rayure et de la dureté de la rayure en fonction de la température.

CONCLUSION

Dans cette étude, nous montrons comment le tribomètre NANOVEA mesure la dureté par rayure à des températures élevées, conformément à la norme ASTM G171-03. L'essai de dureté par rayure à charge constante constitue une solution alternative simple pour comparer la dureté des matériaux à l'aide du tribomètre. La capacité à effectuer des mesures de dureté par rayure à des températures élevées fait du tribomètre NANOVEA un outil idéal pour évaluer les propriétés tribo-mécaniques des matériaux à haute température.

Le tribomètre NANOVEA offre également des tests d'usure et de friction précis et reproductibles en utilisant des modes rotatifs et linéaires conformes aux normes ISO et ASTM, avec des modules optionnels d'usure à haute température, de lubrification et de tribo-corrosion disponibles dans un système pré-intégré. Un profileur 3D sans contact est disponible en option pour l'imagerie 3D haute résolution des traces d'usure en plus d'autres mesures de surface telles que la rugosité.

1 Wredenberg, Fredrik ; PL Larsson (2009). "Essai de rayure des métaux et des polymères : Experiments and numerics". Wear 266 (1-2) : 76
2 ASTM G171-03 (2009), "Standard Test Method for Scratch Hardness of Materials Using a Diamond Stylus" (méthode d'essai standard pour la dureté des matériaux par rayure à l'aide d'un stylet en diamant).

MAINTENANT, PARLONS DE VOTRE CANDIDATURE

Inspection de la surface des soudures à l'aide d'un profilomètre 3D portable

Inspection de surface WELd

utilisation d'un profilomètre 3d portable

Préparé par

CRAIG LEISING

INTRODUCTION

Il peut devenir critique qu'une soudure particulière, généralement réalisée par inspection visuelle, soit étudiée avec un niveau de précision extrême. Les domaines d'intérêt spécifiques pour une analyse précise comprennent les fissures de surface, la porosité et les cratères non remplis, quelles que soient les procédures d'inspection ultérieures. Les caractéristiques de la soudure telles que la dimension/forme, le volume, la rugosité, la taille, etc. peuvent toutes être mesurées pour une évaluation critique.

IMPORTANCE DU PROFILOMÈTRE 3D SANS CONTACT POUR L'INSPECTION DE LA SURFACE DES SOUDURES

Contrairement à d'autres techniques telles que les palpeurs tactiles ou l'interférométrie, le profilomètre sans contact NANOVEA 3D, qui utilise le chromatisme axial, peut mesurer presque n'importe quelle surface. La taille des échantillons peut varier considérablement en raison de la mise en scène ouverte et aucune préparation des échantillons n'est nécessaire. La mesure du profil de la surface s'effectue sur une plage allant du nanomètre au macroscope, sans influence de la réflectivité ou de l'absorption de l'échantillon. Il est possible de mesurer des angles de surface élevés et les résultats ne sont pas manipulés par logiciel. Mesure facilement n'importe quel matériau : transparent, opaque, spéculaire, diffus, poli, rugueux, etc. Les capacités en 2D des profilomètres portables NANOVEA en font des instruments idéaux pour l'inspection complète de la surface des soudures, tant en laboratoire que sur le terrain.

OBJECTIF DE MESURE

Dans cette application, le profileur portable NANOVEA JR25 est utilisé pour mesurer la rugosité de surface, la forme et le volume d'une soudure, ainsi que la zone environnante. Ces informations peuvent fournir des renseignements essentiels pour étudier correctement la qualité de la soudure et du processus de soudage.

NANOVEA

JR25

RÉSULTATS DES TESTS

L'image ci-dessous montre la vue 3D complète de la soudure et de la zone environnante, ainsi que les paramètres de surface de la soudure uniquement. Le profil de la section transversale 2D est montré ci-dessous.

l'échantillon

Avec le profil de la section transversale 2D ci-dessus retiré de la 3D, les informations dimensionnelles de la soudure sont calculées ci-dessous. La surface et le volume du matériau sont calculés pour la soudure uniquement ci-dessous.

	HOLE	PEAK
SURFACE	1,01 mm²	14,0 mm²
VOLUME	8,799e-5 mm³	23,27 mm³
PROFONDEUR/HAUTEUR MAXIMALE	0,0276 mm	0,6195 mm
PROFONDEUR/HAUTEUR MOYENNE	0,004024 mm	0,2298 mm

CONCLUSION

Dans cette application, nous avons montré comment le NANOVEA 3D Non-Contact Profiler peut caractériser avec précision les caractéristiques critiques d'une soudure et de la surface environnante. À partir de la rugosité, des dimensions et du volume, une méthode quantitative de qualité et de répétabilité peut être déterminée ou étudiée de manière plus approfondie. Des échantillons de soudures, comme l'exemple présenté dans cette note d'application, peuvent être facilement analysés à l'aide d'un profileur NANOVEA standard de table ou portable, pour des essais en interne ou sur le terrain.

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Évaluation des rayures et de l'usure des revêtements industriels

REVÊTEMENT INDUSTRIEL

ÉVALUATION DES RAYURES ET DE L'USURE À L'AIDE D'UN TRIBOMÈTRE

Préparé par

DUANJIE LI, PhD & ANDREA HERRMANN

INTRODUCTION

La peinture acrylique uréthane est un type de revêtement de protection à séchage rapide largement utilisé dans une variété d'applications industrielles, telles que la peinture de sol, la peinture automobile, et autres. Lorsqu'elle est utilisée comme peinture de sol, elle peut être utilisée dans des zones à fort trafic piétonnier et de roues en caoutchouc, comme les allées, les bordures et les parkings.

IMPORTANCE DES ESSAIS DE RAYURE ET D'USURE POUR LE CONTRÔLE DE LA QUALITÉ

Traditionnellement, des tests d'abrasion Taber étaient réalisés pour évaluer la résistance à l'usure des peintures pour sols en uréthane acrylique, conformément à la norme ASTM D4060. Cependant, comme le mentionne la norme, "pour certains matériaux, les essais d'abrasion utilisant l'abrasif de Taber peuvent être sujets à des variations dues à des changements dans les caractéristiques abrasives de la roue pendant l'essai".1 Cela peut entraîner une mauvaise reproductibilité des résultats d'essai et créer des difficultés pour comparer les valeurs rapportées par différents laboratoires. De plus, dans les tests d'abrasion Taber, la résistance à l'abrasion est calculée en tant que perte de poids à un nombre spécifié de cycles d'abrasion. Cependant, les peintures pour sols à base d'uréthane acrylique ont une épaisseur de film sec recommandée de 37,5 à 50 μm2.

Le processus d'abrasion agressif de Taber Abraser peut rapidement user le revêtement d'uréthane acrylique et créer une perte de masse sur le substrat, ce qui entraîne des erreurs substantielles dans le calcul de la perte de poids de la peinture. L'implantation de particules abrasives dans la peinture pendant le test d'abrasion contribue également aux erreurs. Par conséquent, une mesure quantifiable et fiable bien contrôlée est cruciale pour garantir une évaluation reproductible de l'usure de la peinture. En outre, le test de rayure permet aux utilisateurs de détecter les défaillances prématurées des adhésifs/cohésifs dans des applications réelles.

OBJECTIF DE MESURE

Dans cette étude, nous montrons que les tribomètres et les testeurs mécaniques NANOVEA sont idéaux pour l'évaluation et le contrôle de la qualité des revêtements industriels.

Le processus d'usure des peintures de sol en uréthane acrylique avec différentes couches de finition est simulé de manière contrôlée et surveillée à l'aide du tribomètre NANOVEA. Le test de micro-rayures est utilisé pour mesurer la charge nécessaire pour provoquer une rupture cohésive ou adhésive de la peinture.

NANOVEA T100

Le Tribomètre Pneumatique Compact

NANOVEA PB1000

L'appareil d'essai mécanique à grande plate-forme

PROCÉDURE DE TEST

Cette étude évalue quatre revêtements de sol acryliques à base d'eau disponibles dans le commerce qui ont le même apprêt (couche de base) et différentes couches de finition de la même formule avec une légère alternance dans les mélanges d'additifs dans le but d'améliorer la durabilité. Ces quatre revêtements sont identifiés comme les échantillons A, B, C et D.

TEST D'USURE

Le tribomètre NANOVEA a été utilisé pour évaluer le comportement tribologique, par exemple le coefficient de friction (COF) et la résistance à l'usure. Une bille en SS440 (6 mm de diamètre, grade 100) a été appliquée contre les peintures testées. Le COF a été enregistré in situ. Le taux d'usure, K, a été évalué à l'aide de la formule K=V/(F×s)=A/(F×n), où V est le volume usé, F est la charge normale, s est la distance de glissement, A est la section transversale de la trace d'usure et n est le nombre de tours. La rugosité de la surface et les profils des traces d'usure ont été évalués par le profilomètre optique NANOVEA, et la morphologie des traces d'usure a été examinée au microscope optique.

PARAMÈTRES DES ESSAIS D'USURE

FORCE NORMALE

20 N

VITESSE

15 m/min

DURÉE DE L'ESSAI

100, 150, 300 et 800 cycles

TEST D'ÉRAFLURE

Le testeur mécanique NANOVEA équipé d'un stylet en diamant Rockwell C (rayon de 200 μm) a été utilisé pour effectuer des tests de rayures à charge progressive sur les échantillons de peinture en utilisant le mode Micro Scratch Tester. Deux charges finales ont été utilisées : Une charge finale de 5 N pour étudier le décollement de la peinture de l'apprêt, et une charge finale de 35 N pour étudier le décollement de l'apprêt des substrats métalliques. Trois tests ont été répétés dans les mêmes conditions sur chaque échantillon afin de garantir la reproductibilité des résultats.

Des images panoramiques de toutes les longueurs de rayures ont été automatiquement générées et leurs emplacements de défaillance critique ont été corrélés avec les charges appliquées par le logiciel du système. Cette fonctionnalité du logiciel permet aux utilisateurs d'effectuer des analyses sur les traces de rayures à tout moment, plutôt que de devoir déterminer la charge critique au microscope immédiatement après les essais de rayures.

PARAMÈTRES DE L'ESSAI DE GRATTAGE

TYPE DE CHARGE	Progressif
CHARGE INITIALE	0,01 mN
CHARGE FINALE	5 N / 35 N
TAUX DE CHARGEMENT	10 / 70 N/min
LONGUEUR DU GRATTAGE	3 mm
VITESSE DE SCRATCHAGE, dx/dt	6.0 mm/min
GÉOMÉTRIE DU PÉNÉTRATEUR	Cône de 120º.
MATÉRIAU DE L'INDENTATEUR (pointe)	Diamant
RAYON DE LA POINTE DU PÉNÉTRATEUR	200 μm

RÉSULTATS DES TESTS D'USURE

Quatre tests d'usure de type " pin-on-disk " à différents nombres de tours (100, 150, 300 et 800 cycles) ont été réalisés sur chaque échantillon afin de suivre l'évolution de l'usure. La morphologie de la surface des échantillons a été mesurée à l'aide d'un profileur sans contact NANOVEA 3D afin de quantifier la rugosité de surface avant de réaliser les essais d'usure. Tous les échantillons présentaient une rugosité de surface comparable d'environ 1 μm, comme le montre la FIGURE 1. Le COF a été enregistré in situ pendant les essais d'usure, comme le montre la FIGURE 2. La FIGURE 4 présente l'évolution des traces d'usure après 100, 150, 300 et 800 cycles, et la FIGURE 3 résume le taux d'usure moyen des différents échantillons à différentes étapes du processus d'usure.

Comparé à une valeur de COF de ~0,07 pour les trois autres échantillons, l'échantillon A présente un COF beaucoup plus élevé de ~0,15 au début, qui augmente progressivement et se stabilise à ~0,3 après 300 cycles d'usure. Un COF aussi élevé accélère le processus d'usure et crée une quantité substantielle de débris de peinture comme l'indique la FIGURE 4 - la couche supérieure de l'échantillon A a commencé à être enlevée dans les 100 premiers tours. Comme l'indique la FIGURE 3, l'échantillon A présente le taux d'usure le plus élevé de ~5 μm2/N au cours des 300 premiers cycles, qui diminue légèrement à ~3,5 μm2/N en raison de la meilleure résistance à l'usure du substrat métallique. La couche supérieure de l'échantillon C commence à se rompre après 150 cycles d'usure, comme le montre la FIGURE 4, ce qui est également indiqué par l'augmentation du COF dans la FIGURE 2.

En comparaison, l'échantillon B et l'échantillon D présentent des propriétés tribologiques améliorées. L'échantillon B maintient un faible COF tout au long de l'essai - le COF augmente légèrement de ~0,05 à ~0,1. Un tel effet lubrifiant améliore considérablement sa résistance à l'usure - la couche de finition offre toujours une protection supérieure à l'apprêt sous-jacent après 800 cycles d'usure. Le taux d'usure moyen le plus faible de seulement ~0,77 μm2/N est mesuré pour l'échantillon B à 800 cycles. La couche supérieure de l'échantillon D commence à se délaminer après 375 cycles, comme le reflète l'augmentation abrupte du COF dans la FIGURE 2. Le taux d'usure moyen de l'échantillon D est de ~1,1 μm2/N à 800 cycles.

Par rapport aux mesures d'abrasion Taber conventionnelles, le tribomètre NANOVEA fournit des évaluations d'usure bien contrôlées, quantifiables et fiables qui garantissent des évaluations reproductibles et un contrôle de qualité des peintures commerciales pour sols/auto. En outre, la capacité des mesures in situ du COF permet aux utilisateurs de corréler les différentes étapes d'un processus d'usure avec l'évolution du COF, ce qui est essentiel pour améliorer la compréhension fondamentale du mécanisme d'usure et des caractéristiques tribologiques de divers revêtements de peinture.

FIGURE 1 : Morphologie 3D et rugosité des échantillons de peinture.

FIGURE 2 : COF pendant les tests pin-on-disk.

FIGURE 3 : Évolution du taux d'usure de différentes peintures.

FIGURE 4 : Évolution des traces d'usure pendant les essais "pin-on-disk".

RÉSULTATS DES TESTS D'USURE

La FIGURE 5 montre le tracé de la force normale, de la force de frottement et de la profondeur réelle en fonction de la longueur de la rayure pour l'échantillon A à titre d'exemple. Un module d'émission acoustique optionnel peut être installé pour fournir plus d'informations. Lorsque la charge normale augmente linéairement, la pointe de l'indentation s'enfonce progressivement dans l'échantillon testé, comme le reflète l'augmentation progressive de la profondeur réelle. La variation des pentes des courbes de la force de frottement et de la profondeur réelle peut être utilisée comme l'une des implications du début des défaillances du revêtement.

FIGURE 5 : Force normale, force de frottement et profondeur réelle en fonction de la longueur de la rayure pour l'essai de rayure de l'échantillon A avec une charge maximale de 5 N.

La FIGURE 6 et la FIGURE 7 montrent les rayures complètes des quatre échantillons de peinture testés avec une charge maximale de 5 N et 35 N, respectivement. L'échantillon D a nécessité une charge plus élevée de 50 N pour délaminer l'apprêt. Les tests de rayures à une charge finale de 5 N (FIGURE 6) évaluent la défaillance cohésive/adhésive de la peinture supérieure, tandis que ceux à 35 N (FIGURE 7) évaluent la délamination du primaire. Les flèches dans les micrographies indiquent le point auquel la peinture supérieure ou le primaire commence à se détacher complètement du primaire ou du substrat. La charge à ce point, appelée charge critique, Lc, est utilisée pour comparer les propriétés cohésives ou adhésives de la peinture, comme résumé dans le tableau 1.

Il est évident que l'échantillon de peinture D présente la meilleure adhérence interfaciale - affichant les valeurs Lc les plus élevées de 4,04 N à la délamination de la peinture et de 36,61 N à la délamination du primaire. L'échantillon B présente la deuxième meilleure résistance aux rayures. À partir de l'analyse des rayures, nous montrons que l'optimisation de la formule de la peinture est essentielle pour les comportements mécaniques, ou plus précisément, la résistance aux rayures et les propriétés d'adhésion des peintures acryliques pour sols.

Tableau 1 : Résumé des charges critiques.

FIGURE 6 : Micrographies d'une rayure complète avec une charge maximale de 5 N.

FIGURE 7 : Micrographies d'une rayure complète avec une charge maximale de 35 N.

CONCLUSION

Par rapport aux mesures d'abrasion Taber conventionnelles, le testeur mécanique et le tribomètre NANOVEA sont des outils supérieurs pour l'évaluation et le contrôle de la qualité des revêtements de sol commerciaux et automobiles. Le testeur mécanique NANOVEA en mode rayure peut détecter les problèmes d'adhésion/cohésion dans un système de revêtement. Le tribomètre NANOVEA fournit une analyse tribologique quantifiable et répétable bien contrôlée sur la résistance à l'usure et le coefficient de frottement des peintures.

Sur la base des analyses tribologiques et mécaniques complètes des revêtements de sol acryliques à base d'eau testés dans cette étude, nous montrons que l'échantillon B possède le COF et le taux d'usure les plus faibles et la deuxième meilleure résistance aux rayures, tandis que l'échantillon D présente la meilleure résistance aux rayures et la deuxième meilleure résistance à l'usure. Cette évaluation nous permet d'évaluer et de sélectionner le meilleur candidat ciblant les besoins dans différents environnements d'application.

Les modules Nano et Micro du testeur mécanique NANOVEA comprennent tous des modes d'indentation, de rayure et d'usure conformes aux normes ISO et ASTM, offrant ainsi la plus large gamme de tests disponibles pour l'évaluation des peintures sur un seul module. Le tribomètre NANOVEA offre des tests d'usure et de friction précis et répétables en utilisant des modes rotatifs et linéaires conformes aux normes ISO et ASTM, avec des modules optionnels d'usure à haute température, de lubrification et de tribocorrosion disponibles dans un système pré-intégré. La gamme inégalée de NANOVEA constitue une solution idéale pour déterminer l'ensemble des propriétés mécaniques/tribologiques des revêtements, films et substrats minces ou épais, souples ou durs, notamment la dureté, le module de Young, la résistance à la rupture, l'adhérence, la résistance à l'usure et bien d'autres encore. Des profileurs optiques sans contact NANOVEA sont disponibles en option pour l'imagerie 3D haute résolution des rayures et des traces d'usure, en plus d'autres mesures de surface telles que la rugosité.

MAINTENANT, PARLONS DE VOTRE CANDIDATURE

Mesure de la dureté par rayure à l'aide d'un testeur mécanique

MESURE DE LA DURETÉ AUX RAYURES

À L'AIDE D'UN TESTEUR MÉCANIQUE

Préparé par

DUANJIE LI, PhD

INTRODUCTION

En général, les tests de dureté mesurent la résistance des matériaux à une déformation permanente ou plastique. Il existe trois types de mesures de dureté : la dureté par rayure, la dureté par indentation et la dureté par rebondissement. L'essai de dureté par rayure mesure la résistance d'un matériau aux rayures et à l'abrasion dues au frottement d'un objet pointu1. Il a été développé à l'origine par le minéralogiste allemand Friedrich Mohs en 1820 et est encore largement utilisé pour classer les propriétés physiques des minéraux2. Cette méthode d'essai est également applicable aux métaux, aux céramiques, aux polymères et aux surfaces revêtues.

Lors d'une mesure de la dureté par rayure, un stylet en diamant de géométrie spécifique raye la surface d'un matériau le long d'une trajectoire linéaire sous une force normale constante et à une vitesse constante. La largeur moyenne de la rayure est mesurée et utilisée pour calculer l'indice de dureté par rayure (HSP). Cette technique offre une solution simple pour mesurer la dureté de différents matériaux.

OBJECTIF DE MESURE

Dans cette étude, le testeur mécanique NANOVEA PB1000 est utilisé pour mesurer la dureté par rayure de différents métaux conformément à la norme ASTM G171-03.

Parallèlement, cette étude montre la capacité du testeur mécanique NANOVEA à mesurer la dureté par rayure avec une précision et une reproductibilité élevées.

NANOVEA

PB1000

CONDITIONS DE TEST

Le testeur mécanique NANOVEA PB1000 a effectué des tests de dureté par rayure sur trois métaux polis (Cu110, Al6061 et SS304). Un stylet conique en diamant d'un angle d'apex de 120° avec un rayon de pointe de 200 µm a été utilisé. Chaque échantillon a été rayé trois fois avec les mêmes paramètres d'essai afin de garantir la reproductibilité des résultats. Les paramètres d'essai sont résumés ci-dessous. Un balayage du profil à une faible charge normale de 10 mN a été effectué avant et après l'essai de rayure pour mesurer le changement du profil de la surface de la rayure.

PARAMÈTRES D'ESSAI

FORCE NORMALE

10 N

TEMPÉRATURE

24°C (RT)

VITESSE DE GLISSEMENT

20 mm/min

DISTANCE DE GLISSEMENT

10 mm

ATMOSPHÈRE

Air

RÉSULTATS ET DISCUSSION

Les images des traces de rayures de trois métaux (Cu110, Al6061 et SS304) après les tests sont présentées dans la FIGURE 1 afin de comparer la dureté des rayures de différents matériaux. La fonction de cartographie du logiciel NANOVEA Mechanical a été utilisée pour créer trois rayures parallèles testées dans les mêmes conditions selon un protocole automatisé. La largeur de la trace d'usure mesurée et l'indice de dureté de la rayure (HSP) calculé sont résumés et comparés dans le TABLEAU 1. Les métaux présentent des largeurs de traces d'usure différentes de 174, 220 et 89 µm pour Al6061, Cu110 et SS304, respectivement, ce qui donne un HSP calculé de 0,84, 0,52 et 3,2 GPa.

En plus de la dureté de la rayure calculée à partir de la largeur de la trace de la rayure, l'évolution du coefficient de friction (COF), la profondeur réelle et l'émission acoustique ont été enregistrées in situ pendant l'essai de dureté de la rayure. La profondeur réelle est la différence de profondeur entre la profondeur de pénétration du stylet pendant l'essai de rayure et le profil de surface mesuré lors du pré-balayage. Le COF, la profondeur réelle et l'émission acoustique du Cu110 sont illustrés à titre d'exemple dans la FIGURE 2. Ces informations donnent un aperçu des défaillances mécaniques qui se produisent pendant la rayure, ce qui permet aux utilisateurs de détecter les défauts mécaniques et d'approfondir le comportement de la rayure du matériau testé.

Les tests de dureté par rayure peuvent être réalisés en quelques minutes avec une précision et une répétabilité élevées. Comparé aux procédures d'indentation conventionnelles, le test de dureté par rayure de cette étude fournit une solution alternative pour les mesures de dureté, ce qui est utile pour le contrôle qualité et le développement de nouveaux matériaux.

Al6061

Cu110

SS304

FIGURE 1 : Image au microscope des traces de griffes après le test (grossissement 100x).

	*Largeur de la piste de grattage (μm)*	*HS_p (GPa)*
Al6061	174±11	0.84
Cu110	220±1	0.52
SS304	89±5	3.20

TABLEAU 1 : Résumé de la largeur de la trace de rayure et du numéro de dureté de la rayure.

FIGURE 2 : L'évolution du coefficient de friction, de la profondeur réelle et des émissions acoustiques pendant l'essai de dureté par rayure sur Cu110.

CONCLUSION

Dans cette étude, nous avons démontré la capacité du NANOVEA Mechanical Tester à réaliser des tests de dureté par rayure conformément à la norme ASTM G171-03. Outre l'adhérence du revêtement et la résistance à la rayure, le test de rayure à charge constante offre une solution alternative simple pour comparer la dureté des matériaux. Contrairement aux testeurs de dureté par rayure conventionnels, les testeurs mécaniques NANOVEA offrent des modules optionnels permettant de surveiller l'évolution du coefficient de friction, l'émission acoustique et la profondeur réelle in situ.

Les modules Nano et Micro d'un testeur mécanique NANOVEA comprennent des modes d'indentation, de rayure et d'usure conformes aux normes ISO et ASTM, offrant ainsi la gamme d'essais la plus large et la plus conviviale disponible dans un seul système. La gamme inégalée de NANOVEA constitue une solution idéale pour déterminer l'ensemble des propriétés mécaniques des revêtements, films et substrats minces ou épais, souples ou durs, notamment la dureté, le module de Young, la ténacité à la rupture, l'adhérence, la résistance à l'usure et bien d'autres encore.

MAINTENANT, PARLONS DE VOTRE CANDIDATURE

Test de rayure sur le revêtement en nitrure de titane

TEST DE RAYURE DU REVÊTEMENT EN NITRURE DE TITANE

INSPECTION DU CONTRÔLE DE LA QUALITÉ

Préparé par

DUANJIE LI, PhD

INTRODUCTION

La combinaison d'une dureté élevée, d'une excellente résistance à l'usure, d'une résistance à la corrosion et d'une inertie fait du nitrure de titane (TiN) un revêtement protecteur idéal pour les composants métalliques dans diverses industries. Par exemple, la rétention des arêtes et la résistance à la corrosion d'un revêtement TiN peuvent augmenter considérablement l'efficacité du travail et prolonger la durée de vie des machines-outils telles que les lames de rasoir, les coupeurs de métaux, les moules à injection et les scies. Sa grande dureté, son inertie et sa non-toxicité font du TiN un excellent candidat pour les applications dans les dispositifs médicaux, notamment les implants et les instruments chirurgicaux.

IMPORTANCE DES ESSAIS D'ÉCRASEMENT DU REVÊTEMENT TiN

La contrainte résiduelle dans les revêtements protecteurs PVD/CVD joue un rôle essentiel dans les performances et l'intégrité mécanique du composant revêtu. La contrainte résiduelle provient de plusieurs sources principales, notamment la contrainte de croissance, les gradients thermiques, les contraintes géométriques et la contrainte de service¹. Le décalage de la dilatation thermique entre le revêtement et le substrat créé lors du dépôt du revêtement à des températures élevées entraîne une contrainte résiduelle thermique élevée. En outre, les outils revêtus de TiN sont souvent utilisés sous des contraintes concentrées très élevées, par exemple les forets et les roulements. Il est essentiel de développer un processus de contrôle de qualité fiable pour inspecter quantitativement la force cohésive et adhésive des revêtements fonctionnels de protection.

[1] V. Teixeira, Vacuum 64 (2002) 393-399.

OBJECTIF DE MESURE

Dans cette étude, nous montrons que les testeurs mécaniques NANOVEA en mode rayure sont idéaux pour évaluer la force cohésive/adhésive des revêtements protecteurs TiN de manière contrôlée et quantitative.

NANOVEA

PB1000

CONDITIONS DE TEST

Le testeur mécanique NANOVEA PB1000 a été utilisé pour effectuer des tests de rayures sur trois revêtements TiN en utilisant les mêmes paramètres de test que ceux résumés ci-dessous :

MODE DE CHARGE : Linéaire progressif

CHARGE INITIALE

0.02 N

CHARGE FINALE

10 N

TAUX DE CHARGEMENT

20 N/min

LONGUEUR DU GRATTAGE

5 mm

INDENTER TYPE

Sphéro-conique

Diamant, rayon 20 μm

RÉSULTATS ET DISCUSSION

La FIGURE 1 montre l'évolution enregistrée de la profondeur de pénétration, du coefficient de frottement (COF) et de l'émission acoustique pendant l'essai. Les microtraces complètes sur les échantillons de TiN sont illustrées à la FIGURE 2. Les comportements de défaillance à différentes charges critiques sont présentés dans la FIGURE 3, où la charge critique Lc1 est définie comme la charge à laquelle le premier signe de fissure cohésive apparaît dans la piste de rayure, Lc2 est la charge après laquelle des défaillances par spallation répétées ont lieu, et Lc3 est la charge à laquelle le revêtement est complètement retiré du substrat. Les valeurs de charge critique (Lc) pour les revêtements TiN sont résumées dans la FIGURE 4.

L'évolution de la profondeur de pénétration, du COF et de l'émission acoustique donne un aperçu du mécanisme de rupture du revêtement à différents stades, qui sont représentés par les charges critiques dans cette étude. On peut observer que l'échantillon A et l'échantillon B présentent un comportement comparable pendant l'essai de rayure. Le stylet pénètre progressivement dans l'échantillon jusqu'à une profondeur de ~0,06 mm et le COF augmente graduellement jusqu'à ~0,3 alors que la charge normale augmente linéairement au début du test de rayure du revêtement. Lorsque le Lc1 de ~3,3 N est atteint, le premier signe de rupture par écaillage apparaît. Cela se reflète également dans les premiers pics importants dans le tracé de la profondeur de pénétration, du COF et de l'émission acoustique. Lorsque la charge continue d'augmenter jusqu'à Lc2 de ~3,8 N, de nouvelles fluctuations de la profondeur de pénétration, du COF et de l'émission acoustique se produisent. Nous pouvons observer une défaillance continue par spallation présente des deux côtés de la piste de rayure. À Lc3, le revêtement se détache complètement du substrat métallique sous la pression élevée appliquée par le stylet, laissant le substrat exposé et non protégé.

En comparaison, l'échantillon C présente des charges critiques plus faibles à différents stades des essais de rayure du revêtement, ce qui se reflète également dans l'évolution de la profondeur de pénétration, du coefficient de friction (COF) et de l'émission acoustique pendant l'essai de rayure du revêtement. L'échantillon C possède une couche intermédiaire d'adhésion avec une dureté plus faible et une contrainte plus élevée à l'interface entre le revêtement TiN supérieur et le substrat métallique par rapport à l'échantillon A et l'échantillon B.

Cette étude démontre l'importance d'un support de substrat et d'une architecture de revêtement appropriés pour la qualité du système de revêtement. Une couche intermédiaire plus solide peut mieux résister à la déformation sous une charge externe élevée et une contrainte de concentration, et ainsi améliorer la force cohésive et adhésive du système revêtement/substrat.

FIGURE 1 : Évolution de la profondeur de pénétration, du COF et de l'émission acoustique des échantillons de TiN.

FIGURE 2 : Trace complète de rayure des revêtements TiN après les tests.

FIGURE 3 : Défaillances du revêtement TiN sous différentes charges critiques, Lc.

FIGURE 4 : Résumé des valeurs de charge critique (Lc) pour les revêtements TiN.

CONCLUSION

Dans cette étude, nous avons montré que le testeur mécanique NANOVEA PB1000 réalise des tests de rayures fiables et précis sur des échantillons revêtus de TiN de manière contrôlée et étroitement surveillée. Les mesures de rayures permettent aux utilisateurs d'identifier rapidement la charge critique à laquelle les défaillances typiques des revêtements cohésifs et adhésifs se produisent. Nos instruments sont des outils de contrôle qualité supérieurs qui peuvent inspecter et comparer quantitativement la qualité intrinsèque d'un revêtement et l'intégrité interfaciale d'un système revêtement/substrat. Un revêtement avec une couche intermédiaire appropriée peut résister à une grande déformation sous une charge externe élevée et une contrainte de concentration, et améliorer la force cohésive et adhésive d'un système revêtement/substrat.

Les modules Nano et Micro d'un testeur mécanique NANOVEA comprennent tous des modes d'indentation, de rayure et d'usure conformes aux normes ISO et ASTM, offrant ainsi la gamme d'essais la plus large et la plus conviviale disponible dans un seul système. La gamme inégalée de NANOVEA est une solution idéale pour déterminer l'ensemble des propriétés mécaniques des revêtements, films et substrats minces ou épais, souples ou durs, y compris la dureté, le module de Young, la résistance à la rupture, l'adhérence, la résistance à l'usure et bien d'autres encore.

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Analyse de la fractographie à l'aide de la profilométrie 3D

ANALYSE FRACTOGRAPHIQUE

EN UTILISANT LA PROFILOMÉTRIE 3D

Préparé par

CRAIG LEISING

INTRODUCTION

La fractographie est l'étude des caractéristiques des surfaces fracturées et a historiquement été étudiée par microscope ou SEM. En fonction de la taille de la caractéristique, un microscope (macro caractéristiques) ou un SEM (nano et micro caractéristiques) sont sélectionnés pour l'analyse de la surface. Les deux permettent finalement d'identifier le type de mécanisme de fracture. Bien qu'efficace, le microscope a des limites évidentes et le MEB dans la plupart des cas, autre que l'analyse au niveau atomique, n'est pas pratique pour la mesure de la surface des fractures et n'a pas de capacité d'utilisation plus large. Grâce aux progrès de la technologie de mesure optique, le profilomètre sans contact NANOVEA 3D est désormais considéré comme l'instrument de choix, avec sa capacité à fournir des mesures de surface 2D et 3D à des échelles allant du nanomètre au macroscope.

IMPORTANCE DU PROFILOMÈTRE 3D SANS CONTACT POUR L'INSPECTION DES FRACTURES

Contrairement au MEB, un profilomètre 3D sans contact peut mesurer presque toutes les surfaces, toutes les tailles d'échantillons, avec une préparation minimale de l'échantillon, tout en offrant des dimensions verticales/horizontales supérieures à celles d'un MEB. Avec un profileur, les caractéristiques allant du nanomètre au macroscope sont capturées en une seule mesure, sans influence de la réflectivité de l'échantillon. Mesurez facilement tous les matériaux : transparents, opaques, spéculaires, diffusifs, polis, rugueux, etc. Le profilomètre 3D sans contact offre des possibilités étendues et conviviales pour maximiser les études de fracture de surface à une fraction du coût d'un MEB.

OBJECTIF DE MESURE

Dans cette application, le NANOVEA ST400 est utilisé pour mesurer la surface fracturée d'un échantillon d'acier. Dans cette étude, nous présentons une zone 3D, une extraction de profil 2D et une carte directionnelle de la surface.

NANOVEA

ST400

RÉSULTATS

SURFACE SUPÉRIEURE

Direction de la texture de la surface 3D

Isotropie	51.26%
Première direction	123.2º
Deuxième direction	116.3º
Troisième direction	0.1725º

La surface, le volume, la rugosité et bien d'autres éléments peuvent être calculés automatiquement à partir de cette extraction.

Extraction du profil 2D

RÉSULTATS

SURFACE LATÉRALE

Direction de la texture de la surface 3D

Isotropie	15.55%
Première direction	0.1617º
Deuxième direction	110.5º
Troisième direction	171.5º

La surface, le volume, la rugosité et bien d'autres éléments peuvent être calculés automatiquement à partir de cette extraction.

Extraction du profil 2D

CONCLUSION

Dans cette application, nous avons montré comment le profilomètre 3D sans contact NANOVEA ST400 peut caractériser avec précision la topographie complète (nano, micro et macro caractéristiques) d'une surface fracturée. À partir de la zone 3D, la surface peut être clairement identifiée et des sous-zones ou des profils/coupes transversales peuvent être rapidement extraits et analysés avec une liste infinie de calculs de surface. Les caractéristiques de surface sub-nanométriques peuvent être analysées plus en détail grâce à un module AFM intégré.

En outre, NANOVEA a ajouté une version portable à sa gamme de profilomètres, ce qui est particulièrement important pour les études sur le terrain lorsque la surface d'une fracture est inamovible. Avec cette large liste de capacités de mesure de surface, l'analyse de la surface des fractures n'a jamais été aussi facile et pratique avec un seul instrument.

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Produits

Profilomètres

PS50 (Compact)

JR25 (Portable Compact)

ST400 (Standard modulaire)

AFMPRO (Microscope Force Atomique)

ST500 (Modulaire Large Surface)

JR100 (Portable Haute Vitesse)

CQ en ligne (rugosité, texture et finition)

Testeurs mécaniques

CB500 (Compact Perfectionné)

PB1000 (Large Plate-Forme)

Systèmes sous vide (sur mesure)

Tribomètres

T50 (Standard Modulaire)

T100 (Compact Pneumatique)

T2000 (Pneumatique à forte charge)

CR-8R (Épaisseur de Revêtements Ball Cratering)

Systèmes sous vide (sur mesure)

Types de Solution

Profilométrie

Rugosité et finition

Géométrie et formes

Planéité et gauchissement

Volume et surface

Hauteur et épaisseur des marches

Texture et grain

Essais mécaniques

Indentation | Dureté et élasticité

Indentation | Contrainte et déformation

Indentation | Fluage et relaxation

Indentation | Perte et stockage

Indentation | Ténacité à la rupture

Indentation | Limite d'élasticité & Fatigue

Haute Température

Humidité

Rayure | Défaillance adhesive

Rayure | Défaillance cohésive

Dureté par Rayure

Rayure | Usure multi-passages

Friction | Coefficient de friction

Basse températures

Liquide

Essais de tribologie

Linéaire

Rotation

Block on Ring

Ring on Ring

Test de rayure

Haute Température

Corrosion

Liquide

Basse températures

Humidité et gaz inertes

Services de laboratoire

Analyse de la profilométrie sans contact

Essais d'indentation et de rayure

Essais de frottement et d'usure

Topologie des surfaces et analyse chimique

Applications

Par industrie

Bio et biotechnologie

Matériaux de construction

Produits de consommation

Dispositifs médicaux

Fabrication et usinage des métaux

Pétrole et mines

Optique

Peinture et revêtement

Pharmaceutique

Semi-conducteurs et électronique

Textiles, cuir et papier

Outillage et machines

Transport terrestre

Espace et aviation

Militaire et défense

Énergie

Par les matériaux

Céramique

Composites