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Catégorie : Tests de laboratoire

 

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 rayure ont été examinées au microscope optique, comme le montre la FIGURE 2. La largeur des traces de rayure mesurée et les indices de dureté de 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 à l'aide d'un stylet diamanté)

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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.

 HOLEPEAK
SURFACE1,01 mm214,0 mm2
VOLUME8,799e-5 mm323,27 mm3
PROFONDEUR/HAUTEUR MAXIMALE0,0276 mm0,6195 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, les 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 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 de l'essai et rendre difficile la comparaison des valeurs rapportées par différents laboratoires. De plus, dans les essais 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 37,5-50 ?m2.

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 ?m) 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 CHARGEProgressif
CHARGE INITIALE0,01 mN
CHARGE FINALE5 N / 35 N
TAUX DE CHARGEMENT10 / 70 N/min
LONGUEUR DU GRATTAGE3 mm
VITESSE DE SCRATCHAGE, dx/dt6.0 mm/min
GÉOMÉTRIE DU PÉNÉTRATEURCône de 120º.
MATÉRIAU DE L'INDENTATEUR (pointe)Diamant
RAYON DE LA POINTE DU PÉNÉTRATEUR200 ?m

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 la surface avant de procéder aux essais d'usure. Tous les échantillons présentaient une rugosité de surface comparable d'environ 1 ?m, 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 importante de débris de peinture, comme l'indique la FIGURE 4 ? la couche supérieure de l'échantillon A a commencé à être enlevée au cours des 100 premiers tours. Comme le montre la FIGURE 3, l'échantillon A présente le taux d'usure le plus élevé de ~5 ?m2/N au cours des 300 premiers cycles, qui diminue légèrement à ~3,5 ?m2/N en raison de la meilleure résistance à l'usure du substrat métallique. La couche supérieure de l'échantillon C commence à se dégrader 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 ?m2/N est mesuré pour l'échantillon B à 800 cycles. La couche de finition de l'échantillon D commence à se délaminer après 375 cycles, comme le montre l'augmentation abrupte du COF dans la FIGURE 2. Le taux d'usure moyen de l'échantillon D est de ~1,1 ?m2/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 a la meilleure adhésion interfaciale ? présentant 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'adhérence 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.

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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 trace d'éraflure (?m)HSp (GPa)
Al6061174±110.84
Cu110220±10.52
SS30489±53.20

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 est une solution idéale pour déterminer la gamme complète des propriétés mécaniques des revêtements, films et substrats minces ou épais, mous ou durs, y compris la dureté, le module de Young, la ténacité à la rupture, l'adhésion, 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 de 20 ?m

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

Isotropie51.26%
Première direction123.2º
Deuxième direction116.3º
Troisième direction0.1725º

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

Isotropie15.55%
Première direction0.1617º
Deuxième direction110.5º
Troisième direction171.5º

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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Topographie de la surface de la fibre de verre à l'aide de la profilométrie 3D

TOPOGRAPHIE DE LA SURFACE DE LA FIBRE DE VERRE

EN UTILISANT LA PROFILOMÉTRIE 3D

Préparé par

CRAIG LEISING

INTRODUCTION

La fibre de verre est un matériau fabriqué à partir de fibres de verre extrêmement fines. Elle est utilisée comme agent de renforcement pour de nombreux produits polymères ; le matériau composite qui en résulte, connu sous le nom de polymère renforcé par des fibres (FRP) ou de plastique renforcé par du verre (GRP), est appelé "fibre de verre" dans l'usage courant.

IMPORTANCE DE L'INSPECTION MÉTROLOGIQUE DES SURFACES POUR LE CONTRÔLE DE LA QUALITÉ

Bien qu'il existe de nombreuses utilisations du renforcement en fibre de verre, dans la plupart des applications, il est crucial qu'elles soient aussi solides que possible. Les composites en fibre de verre présentent l'un des rapports résistance/poids les plus élevés du marché et, dans certains cas, ils sont plus résistants que l'acier. Outre la résistance élevée, il est également important d'avoir la plus petite surface exposée possible. Les grandes surfaces en fibre de verre peuvent rendre la structure plus vulnérable aux attaques chimiques et éventuellement à l'expansion du matériau. Par conséquent, l'inspection de la surface est essentielle au contrôle de la qualité de la production.

OBJECTIF DE MESURE

Dans cette application, le NANOVEA ST400 est utilisé pour mesurer la rugosité et la planéité de la surface d'un composite en fibre de verre. En quantifiant ces caractéristiques de surface, il est possible de créer ou d'optimiser un matériau composite en fibre de verre plus solide et plus durable.

NANOVEA

ST400

PARAMÈTRES DE MESURE

PROBE 1 mm
TAUX D'ACQUISITION300 Hz
MOYENNE1
SURFACE MESURÉE5 mm x 2 mm
TAILLE DE L'ÉTAPE5 µm x 5 µm
MODE DE BALAYAGEVitesse constante

PROBE SPECIFICATIONS

MESURE GAMME1 mm
RÉSOLUTION Z 25 nm
Z ACCURACY200 nm
RÉSOLUTION LATÉRALE 2 ?m

RÉSULTATS

VUE EN FAUSSE COULEUR

Planéité de la surface 3D

Rugosité de surface 3D

Sa15.716 ?mMoyenne arithmétique de la hauteur
Sq19.905 ?mHauteur moyenne quadratique
Sp116.74 ?mHauteur maximale du pic
Sv136.09 ?mHauteur maximale de la fosse
Sz252.83 ?mHauteur maximale
Ssk0.556Skewness
Ssu3.654Kurtosis

CONCLUSION

Comme le montrent les résultats, le profileur optique NANOVEA ST400 a pu mesurer avec précision la rugosité et la planéité de la surface du composite en fibre de verre. Les données peuvent être mesurées sur plusieurs lots de composites en fibre et ou sur une période donnée afin de fournir des informations cruciales sur les différents processus de fabrication de la fibre de verre et leur réaction dans le temps. Ainsi, le ST400 est une option viable pour renforcer le processus de contrôle de la qualité des matériaux composites en fibre de verre.

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Usure et frottement des courroies polymères à l'aide d'un tribomètre

COURROIES EN POLYMÈRE

USURE ET FRICTION à l'aide d'un TRIBOMETRE

Préparé par

DUANJIE LI, PhD

INTRODUCTION

La transmission par courroie transmet la puissance et suit le mouvement relatif entre deux ou plusieurs arbres rotatifs. En tant que solution simple et peu coûteuse avec un entretien minimal, les transmissions par courroie sont largement utilisées dans une variété d'applications, telles que les scies à ruban, les scieries, les batteuses, les souffleurs de silo et les convoyeurs. Les transmissions par courroie peuvent protéger les machines contre les surcharges, ainsi qu'amortir et isoler les vibrations.

IMPORTANCE DE L'ÉVALUATION DE L'USURE POUR LES TRANSMISSIONS PAR COURROIE

Le frottement et l'usure sont inévitables pour les courroies d'une machine entraînée par courroie. Un frottement suffisant assure une transmission efficace de la puissance sans glissement, mais un frottement excessif peut entraîner une usure rapide de la courroie. Différents types d'usure tels que la fatigue, l'abrasion et le frottement se produisent pendant le fonctionnement de la transmission par courroie. Afin de prolonger la durée de vie de la courroie et de réduire le coût et le temps de réparation et de remplacement de la courroie, une évaluation fiable des performances d'usure des courroies est souhaitable pour améliorer la durée de vie des courroies, l'efficacité de la production et les performances des applications. La mesure précise du coefficient de friction et du taux d'usure de la courroie facilite la R&D et le contrôle de la qualité de la production de courroies.

OBJECTIF DE MESURE

Dans cette étude, nous avons simulé et comparé les comportements d'usure de courroies présentant différentes textures de surface afin de mettre en évidence la capacité de l NANOVEA Le tribomètre T2000 permet de simuler le processus d'usure de la courroie de manière contrôlée et surveillée.

NANOVEA

T2000

PROCÉDURES DE TEST

Le coefficient de frottement (COF) et la résistance à l'usure de deux courroies présentant des rugosités et des textures de surface différentes ont été évalués par l'analyse de l'indice de frottement. NANOVEA Tribomètre à haute charge utilisant un module d'usure à mouvement alternatif linéaire. Une bille en acier 440 (10 mm de diamètre) a été utilisée comme contre-matériau. La rugosité de surface et la trace d'usure ont été examinées à l'aide d'un profilomètre 3D sans contact intégré. Le taux d'usure, Ka été évaluée à l'aide de la formule K=Vl(Fxs)V est le volume usé, F est la charge normale et s est la distance de glissement.

 

Veuillez noter qu'une contrepartie lisse en acier 440 a été utilisée comme exemple dans cette étude. Tout matériau solide de forme et de finition de surface différentes peut être appliqué à l'aide de montages personnalisés pour simuler la situation d'application réelle.

RÉSULTATS ET DISCUSSION

La bande texturée et la bande lisse ont une rugosité de surface Ra de 33,5 et 8,7 um, respectivement, d'après les profils de surface analysés pris avec une NANOVEA Profileur optique 3D sans contact. Le COF et le taux d'usure des deux courroies testées ont été mesurés à 10 N et 100 N, respectivement, afin de comparer le comportement d'usure des courroies à différentes charges.

FIGURE 1 montre l'évolution du COF des courroies pendant les essais d'usure. Les courroies avec différentes textures présentent des comportements d'usure sensiblement différents. Il est intéressant de noter qu'après la période de rodage au cours de laquelle le COF augmente progressivement, la courroie texturée atteint un COF inférieur de ~0,5 dans les deux tests réalisés avec des charges de 10 N et 100 N. En comparaison, la courroie lisse testée sous une charge de 10 N présente un COF nettement plus élevé de ~1,4 lorsque le COF se stabilise et se maintient au-dessus de cette valeur pour le reste du test. La courroie lisse testée sous une charge de 100 N a été rapidement usée par la bille d'acier 440 et a formé une grande trace d'usure. L'essai a donc été arrêté à 220 tours.

FIGURE 1 : Evolution du COF des courroies à différentes charges.

La FIGURE 2 compare les images des traces d'usure en 3D après les essais à 100 N. Le profilomètre sans contact NANOVEA 3D offre un outil pour analyser la morphologie détaillée des traces d'usure, ce qui permet de mieux comprendre le mécanisme d'usure.

TABLEAU 1 : Résultat de l'analyse des traces d'usure.

FIGURE 2 :  Vue 3D des deux courroies
après les essais à 100 N.

Le profil de la trace d'usure en 3D permet de déterminer directement et précisément le volume de la trace d'usure calculé par le logiciel d'analyse avancée, comme le montre le TABLEAU 1. Lors d'un essai d'usure de 220 tours, la courroie lisse présente une trace d'usure beaucoup plus grande et plus profonde avec un volume de 75,7 mm3, contre un volume d'usure de 14,0 mm3 pour la courroie texturée après un essai d'usure de 600 tours. Le frottement nettement plus élevé de la courroie lisse contre la bille d'acier entraîne un taux d'usure 15 fois supérieur à celui de la courroie texturée.

 

Une telle différence de COF entre la courroie texturée et la courroie lisse est probablement liée à la taille de la zone de contact entre la courroie et la bille d'acier, ce qui entraîne également des performances d'usure différentes. La FIGURE 3 montre les traces d'usure des deux courroies au microscope optique. L'examen des traces d'usure est en accord avec l'observation de l'évolution du COF : La courroie texturée, qui maintient un faible COF de ~0,5, ne présente aucun signe d'usure après le test d'usure sous une charge de 10 N. La courroie lisse présente une petite trace d'usure à 10 N. Les tests d'usure effectués à 100 N créent des traces d'usure beaucoup plus grandes sur les courroies texturées et lisses, et le taux d'usure sera calculé à l'aide de profils 3D, comme nous le verrons dans le paragraphe suivant.

FIGURE 3 :  Traces d'usure au microscope optique.

CONCLUSION

Dans cette étude, nous avons démontré la capacité du tribomètre NANOVEA T2000 à évaluer le coefficient de friction et le taux d'usure des courroies d'une manière bien contrôlée et quantitative. La texture de la surface joue un rôle essentiel dans la résistance au frottement et à l'usure des courroies pendant leur durée de vie. La courroie texturée présente un coefficient de frottement stable de ~0,5 et possède une longue durée de vie, ce qui permet de réduire le temps et les coûts de réparation ou de remplacement des outils. En comparaison, le frottement excessif de la courroie lisse contre la bille d'acier use rapidement la courroie. En outre, la charge exercée sur la courroie est un facteur essentiel de sa durée de vie. La surcharge crée une friction très élevée, ce qui entraîne une usure accélérée de la courroie.

Le tribomètre NANOVEA T2000 offre des essais 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. NANOVEA's est une solution idéale pour déterminer la gamme complète des propriétés tribologiques des revêtements, films et substrats minces ou épais, mous ou durs.

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Microstructure des fossiles par profilométrie 3D

MICROSTRUCTURE FOSSILE

EN UTILISANT LA PROFILOMÉTRIE 3D

Préparé par

DUANJIE LI, PhD

INTRODUCTION

Les fossiles sont les restes préservés de traces de plantes, d'animaux et d'autres organismes enfouis dans les sédiments sous d'anciennes mers, lacs et rivières. Les tissus mous du corps se décomposent généralement après la mort, mais les coquilles dures, les os et les dents se fossilisent. Les caractéristiques de surface de la microstructure sont souvent préservées lors du remplacement minéral des coquilles et des os d'origine, ce qui donne un aperçu de l'évolution du temps et du mécanisme de formation des fossiles.

IMPORTANCE D'UN PROFILOMÈTRE 3D SANS CONTACT POUR L'EXAMEN DES FOSSILES

Les profils 3D du fossile nous permettent d'observer les caractéristiques détaillées de la surface de l'échantillon fossile sous un angle plus rapproché. La haute résolution et la précision du profilomètre NANOVEA peuvent ne pas être discernables à l'œil nu. Le logiciel d'analyse du profilomètre offre un large éventail d'études applicables à ces surfaces uniques. Contrairement à d'autres techniques telles que les sondes tactiles, le profilomètre 3D sans contact NANOVEA mesure les caractéristiques de la surface sans toucher l'échantillon. Cela permet de préserver les véritables caractéristiques de surface de certains échantillons fossiles délicats. En outre, le profilomètre portable modèle Jr25 permet d'effectuer des mesures en 3D sur les sites fossiles, ce qui facilite considérablement l'analyse et la protection des fossiles après l'excavation.

OBJECTIF DE MESURE

Dans cette étude, le profilomètre NANOVEA Jr25 est utilisé pour mesurer la surface de deux échantillons de fossiles représentatifs. La surface entière de chaque fossile a été scannée et analysée afin de caractériser ses caractéristiques de surface, notamment la rugosité, le contour et la direction de la texture.

NANOVEA

Jr25

FOSSILE DE BRACHIOPODE

Le premier échantillon de fossile présenté dans ce rapport est un fossile de brachiopode, qui provient d'un animal marin possédant des "valves" (coquilles) dures sur ses surfaces supérieure et inférieure. Ils sont apparus à la période cambrienne, il y a plus de 550 millions d'années.

La vue 3D du scan est présentée dans la FIGURE 1 et la vue en fausses couleurs est présentée dans la FIGURE 2. 

FIGURE 1 : Vue 3D de l'échantillon de fossiles de brachiopodes.

FIGURE 2 : Vue en fausses couleurs de l'échantillon de fossiles de brachiopodes.

La forme globale a ensuite été retirée de la surface afin d'étudier la morphologie et le contour de la surface locale du fossile de brachiopode, comme le montre la FIGURE 3. Une texture particulière de rainure divergente peut maintenant être observée sur l'échantillon de fossile de Brachiopode.

FIGURE 3 : Vue des fausses couleurs et vue des lignes de contour après la suppression du formulaire.

Un profil de ligne est extrait de la zone texturée pour montrer une vue en coupe de la surface du fossile dans la FIGURE 4. L'étude de la hauteur des pas mesure les dimensions précises des caractéristiques de la surface. Les rainures ont une largeur moyenne de ~0,38 mm et une profondeur de ~0,25 mm.

FIGURE 4 : Études du profil des lignes et de la hauteur des marches de la surface texturée.

FOSSILE DE TIGE DE CRINOÏDE

Le deuxième échantillon de fossile est un fossile de tige de crinoïde. Les crinoïdes sont apparus dans les mers du Cambrien moyen, environ 300 millions d'années avant les dinosaures. 

 

La vue 3D du scan est illustrée à la FIGURE 5 et la vue en fausses couleurs est illustrée à la FIGURE 6. 

FIGURE 5 : Vue 3D de l'échantillon de fossiles de crinoïdes.

L'isotropie et la rugosité de la texture de surface du fossile de tige de Crinoïde sont analysées dans la FIGURE 7. 

 Ce fossile présente une direction de texture préférentielle dans l'angle proche de 90°, ce qui conduit à une isotropie de texture de 69%.

FIGURE 6 : Vue en fausses couleurs de la Tige de crinoïde échantillon.

 

FIGURE 7 : Isotropie de la texture de surface et rugosité du fossile de la tige du Crinoïde.

Le profil 2D le long de la direction axiale du fossile de la tige du Crinoïde est présenté dans la FIGURE 8. 

La taille des pics de la texture de surface est assez uniforme.

FIGURE 8 : Analyse du profil 2D du fossile de la tige du Crinoïde.

CONCLUSION

Dans cette application, nous avons étudié de manière exhaustive les caractéristiques de surface 3D d'un fossile de tige de brachiopode et de crinoïde à l'aide du profilomètre portable sans contact NANOVEA Jr25. Nous montrons que l'instrument peut caractériser avec précision la morphologie 3D des échantillons fossiles. Les caractéristiques de surface et la texture intéressantes des échantillons sont ensuite analysées plus en détail. L'échantillon de Brachiopode possède une texture de rainure divergente, tandis que le fossile de tige de Crinoïde montre une isotropie de texture préférentielle. Les scans de surface 3D détaillés et précis s'avèrent être des outils idéaux pour les paléontologues et les géologues pour étudier l'évolution des vies et la formation des fossiles.

Les données présentées ici ne représentent qu'une partie des calculs disponibles dans le logiciel d'analyse. Les profilomètres NANOVEA mesurent pratiquement n'importe quelle surface 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, le biomédical, l'environnement et bien d'autres encore.

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Performance d'abrasion du papier de verre à l'aide d'un tribomètre

PERFORMANCE D'ABRASION DU PAPIER DE VERRE

EN UTILISANT UN TRIBOMÈTRE

Préparé par

DUANJIE LI, PhD

INTRODUCTION

Le papier de verre est constitué de particules abrasives collées sur une face d'un papier ou d'une toile. Divers matériaux abrasifs peuvent être utilisés pour les particules, comme le grenat, le carbure de silicium, l'oxyde d'aluminium et le diamant. Le papier de verre est largement appliqué dans divers secteurs industriels pour créer des finitions de surface spécifiques sur le bois, le métal et les cloisons sèches. Ils travaillent souvent sous un contact à haute pression appliqué par des outils manuels ou électriques.

IMPORTANCE DE L'ÉVALUATION DES PERFORMANCES D'ABRASION DU PAPIER DE VERRE

L'efficacité d'un papier de verre est souvent déterminée par ses performances d'abrasion dans différentes conditions. La granulométrie, c'est-à-dire la taille des particules abrasives incorporées dans le papier de verre, détermine le taux d'usure et la taille des rayures du matériau à poncer. Les papiers de verre à granulométrie élevée ont des particules plus petites, ce qui se traduit par des vitesses de ponçage plus faibles et des finitions de surface plus fines. Les papiers de verre ayant le même numéro de grain mais fabriqués dans des matériaux différents peuvent avoir des comportements différents dans des conditions sèches ou humides. Des évaluations tribologiques fiables sont nécessaires pour garantir que le papier de verre fabriqué possède le comportement abrasif souhaité. Ces évaluations permettent aux utilisateurs de comparer quantitativement les comportements d'usure de différents types de papier de verre d'une manière contrôlée et surveillée afin de sélectionner le meilleur candidat pour l'application visée.

OBJECTIF DE MESURE

Dans cette étude, nous démontrons la capacité du tribomètre NANOVEA à évaluer quantitativement les performances d'abrasion de divers échantillons de papier de verre dans des conditions sèches et humides.

NANOVEA

T2000

PROCÉDURES DE TEST

Le coefficient de friction (COF) et les performances d'abrasion de deux types de papiers de verre ont été évalués par le tribomètre NANOVEA T100. Une bille en acier inoxydable 440 a été utilisée comme contre-matériau. Les cicatrices d'usure de la bille ont été examinées après chaque test d'usure à l'aide du profileur optique sans contact 3D NANOVEA afin de garantir des mesures précises de la perte de volume.

Veuillez noter qu'une bille en acier inoxydable 440 a été choisie comme contre-matériau pour créer une étude comparative, mais tout matériau solide pourrait être substitué pour simuler une condition d'application différente.

RÉSULTATS DES TESTS ET DISCUSSION

La FIGURE 1 montre une comparaison du COF des papiers de verre 1 et 2 dans des conditions environnementales sèches et humides. Le papier de verre 1, dans des conditions sèches, présente un COF de 0,4 au début du test qui diminue progressivement et se stabilise à 0,3. Dans des conditions humides, cet échantillon présente un COF moyen plus faible de 0,27. En revanche, les résultats du COF de l'échantillon 2 montrent un COF à sec de 0,27 et un COF humide de ~ 0,37. 

Veuillez noter que l'oscillation dans les données pour tous les graphiques COF a été causée par les vibrations générées par le mouvement de glissement de la balle contre les surfaces rugueuses du papier de verre.

FIGURE 1 : Évolution du COF pendant les essais d'usure.

La FIGURE 2 résume les résultats de l'analyse des cicatrices d'usure. Les cicatrices d'usure ont été mesurées à l'aide d'un microscope optique et d'un profileur optique sans contact NANOVEA 3D. La FIGURE 3 et la FIGURE 4 comparent les cicatrices d'usure des billes SS440 usées après les tests d'usure sur le papier de verre 1 et 2 (conditions humides et sèches). Comme le montre la FIGURE 4, le profileur optique NANOVEA a capturé avec précision la topographie de la surface des quatre billes et leurs traces d'usure respectives, qui ont ensuite été traitées par le logiciel d'analyse avancée NANOVEA Mountains pour calculer la perte de volume et le taux d'usure. Sur le microscope et l'image de profil de la bille, on peut observer que la bille utilisée pour l'essai avec le papier de verre 1 (sec) présentait une cicatrice d'usure aplatie plus importante que les autres, avec une perte de volume de 0,313 %. mm3. En revanche, la perte de volume pour le papier de verre 1 (humide) était de 0.131 mm3. Pour le papier de verre 2 (sec) la perte de volume était de 0.163 mm3 et pour le papier de verre 2 (humide) la perte de volume a augmenté à 0.237 mm3.

De plus, il est intéressant d'observer que le COF a joué un rôle important dans les performances d'abrasion des papiers de verre. Le papier de verre 1 a présenté un COF plus élevé dans les conditions sèches, ce qui a conduit à un taux d'abrasion plus élevé pour la bille SS440 utilisée dans le test. En comparaison, le COF plus élevé du papier de verre 2 à l'état humide a entraîné un taux d'abrasion plus élevé. Les traces d'usure des papiers de verre après les mesures sont présentées dans la FIGURE 5.

Les papiers de verre 1 et 2 prétendent tous deux fonctionner dans des environnements secs ou humides. Cependant, ils ont présenté des performances d'abrasion sensiblement différentes dans les conditions sèches et humides. Les tribomètres NANOVEA offrent des capacités d'évaluation de l'usure bien contrôlées, quantifiables et fiables qui garantissent des évaluations d'usure reproductibles. En outre, la capacité de mesure 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 du papier de verre.

FIGURE 2 : Volume de la cicatrice d'usure des billes et COF moyen dans différentes conditions.

FIGURE 3 : Cicatrices d'usure des balles après les tests.

FIGURE 4 : Morphologie 3D des cicatrices d'usure sur les billes.

FIGURE 5 : Traces d'usure sur les papiers de verre dans différentes conditions.

CONCLUSION

Dans cette étude, les performances d'abrasion de deux types de papiers de verre de même numéro de grain ont été évaluées dans des conditions sèches et humides. Les conditions d'utilisation du papier de verre jouent un rôle essentiel dans l'efficacité du travail. Le papier de verre 1 possède un comportement à l'abrasion significativement meilleur dans des conditions sèches, tandis que le papier de verre 2 est plus performant dans des conditions humides. La friction pendant le processus de ponçage est un facteur important à prendre en compte lors de l'évaluation des performances d'abrasion. Le profileur optique NANOVEA mesure précisément la morphologie 3D de toute surface, comme les cicatrices d'usure sur une bille, ce qui garantit une évaluation fiable des performances d'abrasion du papier de verre dans cette étude. Le tribomètre NANOVEA mesure le coefficient de friction in situ pendant un essai d'usure, ce qui permet de mieux comprendre les différentes étapes d'un processus d'usure. Il offre également des tests d'usure et de friction répétables en utilisant des modes rotatifs et linéaires conformes aux normes ISO et ASTM, avec des modules optionnels d'usure et de lubrification à haute température disponibles dans un système pré-intégré. Cette gamme inégalée permet aux utilisateurs de simuler différents environnements de travail sévères pour les roulements à billes, notamment les contraintes élevées, l'usure et les températures élevées, etc. Elle constitue également un outil idéal pour évaluer quantitativement les comportements tribologiques de matériaux supérieurs résistant à l'usure sous des charges élevées.

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