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Catégorie : Essais mécaniques à haute température

 

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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Imaginez un scénario dans lequel un échantillon en vrac est chauffé uniformément à une vitesse constante. Lorsqu'un matériau en vrac se réchauffe et approche de son point de fusion, il commence à perdre sa rigidité. Si des indentations périodiques (tests de dureté) sont réalisées avec la même force cible, la profondeur de chaque indentation devrait augmenter constamment puisque l'échantillon devient plus mou (voir figure 1). Ce phénomène se poursuit jusqu'à ce que l'échantillon commence à fondre. À ce stade, une forte augmentation de la profondeur par empreinte sera observée. En utilisant ce concept, le changement de phase dans un matériau peut être observé en utilisant des oscillations dynamiques avec une amplitude de force fixe et en mesurant son déplacement, c'est-à-dire l'analyse mécanique dynamique (DMA).   Découvrez la transition vitreuse localisée et précise !

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ASTM D7187, la résistance de la peinture aux rayures et aux marques joue un rôle essentiel dans son utilisation finale. Une peinture automobile sensible aux rayures rend son entretien et sa réparation difficiles et coûteux. Différentes architectures de revêtement de l'apprêt, de la couche de base et de la couche transparente ont été développées pour obtenir la meilleure résistance aux rayures et aux marques. Test de nano-rayures a été développée comme une méthode d'essai standard pour mesurer les aspects mécanistes du comportement aux rayures/marques des revêtements de peinture, comme décrit dans la norme ASTM D7187.. Différents mécanismes de déformation élémentaire, à savoir la déformation élastique, la déformation plastique et la fracture, se produisent à différentes charges pendant l'essai de rayure. Il permet une évaluation quantitative de la résistance plastique et de la résistance à la rupture des revêtements de peinture.

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À des températures élevées, la chaleur modifie les propriétés mécaniques du téflon telles que la dureté et la viscoélasticité, ce qui peut entraîner des défaillances mécaniques. Une mesure fiable du comportement thermomécanique des matériaux polymères est nécessaire pour évaluer quantitativement les matériaux candidats pour les applications à haute température. Le Module nano de la Nanovéa Testeur Méchanique étudie la dureté, le module d'Young et le fluage en appliquant la charge avec un piézo de haute précision et en mesurant l'évolution de la force et du déplacement. Un four avancé crée une température uniforme autour de la pointe d'indentation et de la surface de l'échantillon tout au long du test de nanoindentation afin de minimiser l'effet de dérive thermique.

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Les joints de soudure sont soumis à des contraintes thermiques et/ou externes lorsque la température dépasse 0,6°. Tm où Tm est le point de fusion du matériau en Kelvin. Le comportement de fluage des soudures à des températures élevées peut influencer directement la fiabilité des interconnexions par soudure..  En conséquence, une analyse thermomécanique fiable et quantitative de la soudure à différentes températures est nécessaire. Le Module nano de la Nanovéa Testeur Méchanique applique la charge par un piézo de haute précision et mesure directement l'évolution de la force et du déplacement. Le four de chauffage avancé fournit une température uniforme à la pointe et à la surface de l'échantillon, ce qui garantit la précision des mesures et minimise l'influence de la dérive thermique.

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Tribologie à haute température

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

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