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Catégorie : Test de rayures | Dureté à la rayure

 

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 aux rayures d'un échantillon de téflon à différentes températures allant de la température ambiante à 300 °C. La capacité d'effectuer des mesures de dureté aux rayures à haute température rend le NANOVEA Tribomètre un système polyvalent pour les évaluations tribologiques et mécaniques des matériaux pour les applications à haute température.

NANOVEA

T50

EN SAVOIR PLUS

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).

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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 met en valeur la capacité du NANOVEA Testeur Méchanique pour effectuer des mesures de dureté aux rayures avec une haute précision et reproductibilité.

NANOVEA

PB1000

EN SAVOIR PLUS
nanoindentateur et testeur de rayures Nanovea PB1000

CONDITIONS DE TEST

Le testeur mécanique NANOVEA PB1000 a effectué des essais de dureté à la rayure sur trois métaux polis (Cu110, Al6061 et SS304). Un stylet conique en diamant d'un angle de 120° et d'un rayon de 200 µm a été utilisé. Chaque échantillon a été rayé trois fois avec les mêmes paramètres de test pour 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 d'abrasion. test de dépistage pour mesurer la modification 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)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 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.

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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. Par conséquent, une technique fiable de mesure de la dureté par rayure à haute température est nécessaire pour garantir une sélection adéquate des matériaux pour les applications à haute température.

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