Céramique : Cartographie rapide par nanoindentation pour la détection des grains

INTRODUCTION

 

Nanoindentation est devenue une technique largement appliquée pour mesurer les comportements mécaniques des matériaux à petite échelle^{i ii}. Les courbes charge-déplacement à haute résolution issues d'une mesure de nanoindentation peuvent fournir diverses propriétés physico-mécaniques, notamment la dureté, le module d'Young, le fluage, la ténacité et bien d'autres.

 

 

Importance de l'indentation de cartographie rapide

 

Un goulot d’étranglement important pour une vulgarisation plus poussée de la technique de nanoindentation est la consommation de temps. Une cartographie des propriétés mécaniques par une procédure conventionnelle de nanoindentation peut facilement prendre des heures, ce qui entrave l'application de la technique dans les industries de production de masse, telles que les semi-conducteurs, l'aérospatiale, les MEMS, les produits de consommation tels que les carreaux de céramique et bien d'autres.

Une cartographie rapide peut s'avérer essentielle dans l'industrie de fabrication de carreaux de céramique. Les cartographies de module de Hardness and Young sur un seul carreau de céramique peuvent présenter une distribution de données indiquant l'homogénéité de la surface. Les régions plus molles sur une tuile peuvent être délimitées dans cette cartographie et montrer les emplacements plus sujets aux défaillances dues aux impacts physiques qui se produisent quotidiennement dans la résidence d'une personne. Des cartographies peuvent être réalisées sur différents types de carreaux pour des études comparatives et sur un lot de carreaux similaires pour mesurer la cohérence des carreaux dans un processus de contrôle qualité. La combinaison de configurations de mesures peut être étendue, précise et efficace grâce à la méthode de cartographie rapide.

 

OBJECTIF DE MESURE

 

Dans cette étude, le Nanovea Testeur Méchanique, en mode FastMap, est utilisé pour cartographier les propriétés mécaniques d'un carreau de sol à des vitesses élevées. Nous présentons la capacité du testeur mécanique Nanovea à effectuer deux cartographies de nanoindentation rapides avec une haute précision et reproductibilité.

 

Conditions d'essai

 

Le testeur mécanique Nanovea a été utilisé pour effectuer une série de nanoindentations avec le mode FastMap sur un carrelage à l'aide d'un pénétrateur Berkovich. Les paramètres de test sont résumés ci-dessous pour les deux matrices d'indent créées.

 

Tableau 1 : Résumé des paramètres de test.

 

RÉSULTATS ET DISCUSSION 

 

Figure 1 : Vue 2D et 3D de la cartographie de dureté à 625 empreintes.

 

 

 

Figure 2 : Micrographie d’une matrice à 625 empreintes présentant le grain.

 

 

Une matrice de 625 empreintes a été réalisée sur un écran de 0,20 mm.² zone avec un gros grain visible présent. Ce grain (figure 2) présentait une dureté moyenne inférieure à la surface globale du carreau. Le logiciel mécanique Nanovea permet à l'utilisateur de voir la carte de distribution de dureté en modes 2D et 3D, illustrée à la figure 1. Grâce au contrôle de position de haute précision de la platine d'échantillonnage, le logiciel permet aux utilisateurs de cibler des zones telles que celles-ci pour une analyse en profondeur. cartographie des propriétés mécaniques.

Figure 3 : Vue 2D et 3D de la cartographie de dureté à 1 600 empreintes.

 

 

Figure 4 : Micrographie d’une matrice de 1 600 retraits.

 

 

Une matrice de 1600 empreintes a également été créée sur le même carreau pour mesurer l'homogénéité de la surface. Là encore l'utilisateur a la possibilité de voir la répartition de la dureté en mode 3D ou 2D (Figure 3) ainsi que l'image au microscope de la surface indentée. Sur la base de la distribution de dureté présentée, on peut conclure que le matériau est poreux en raison de la dispersion uniforme des points de données de dureté élevée et faible.

Comparé aux procédures conventionnelles de nanoindentation, le mode FastMap dans cette étude prend beaucoup moins de temps et est plus rentable. Il permet une cartographie quantitative rapide des propriétés mécaniques, notamment la dureté et le module d'Young, et fournit une solution pour la détection des grains et la cohérence des matériaux, essentielles au contrôle qualité d'une variété de matériaux dans la production de masse.

 

 

CONCLUSION

 

Dans cette étude, nous avons présenté la capacité du testeur mécanique Nanovea à effectuer une cartographie de nanoindentation rapide et précise à l'aide du mode FastMap. Les cartes de propriétés mécaniques sur les carreaux de céramique utilisent le contrôle de position (avec une précision de 0,2 µm) des étages et la sensibilité du module de force pour détecter les grains de surface et mesurer l'homogénéité d'une surface à grande vitesse.

Les paramètres de test utilisés dans cette étude ont été déterminés en fonction de la taille de la matrice et du matériau de l'échantillon. Une variété de paramètres de test peuvent être choisis pour optimiser la durée totale du cycle d'indentation à 3 secondes par indentation (ou 30 secondes pour 10 indentations).

Les modules Nano et Micro du testeur mécanique Nanovea incluent tous des modes de test d'indentation, de rayures et d'usure conformes aux normes ISO et ASTM, offrant ainsi la gamme de tests la plus large et la plus conviviale disponible dans un seul système. La gamme inégalée de Nanovea est une solution idéale pour déterminer toute la gamme des propriétés mécaniques des revêtements, films et substrats fins ou épais, souples ou durs, y compris la dureté, le module d'Young, la ténacité à la rupture, l'adhésion, la résistance à l'usure et bien d'autres.

De plus, un profileur 3D sans contact et un module AFM en option sont disponibles pour l'imagerie 3D haute résolution de l'indentation, des rayures et des traces d'usure, en plus d'autres mesures de surface telles que la rugosité.

 

Auteur : Duanjie Li, PhD Révisé par Pierre Leroux et Jocelyn Esparza