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Le premier testeur micro-mécanique au monde

DÉSORMAIS LE LEADER MONDIAL

ESSAIS MICRO-MÉCANIQUES

Préparé par

PIERRE LEROUX & DUANJIE LI, PhD

INTRODUCTION

Les appareils de test de dureté micro Vickers standard ont des plages de charge utilisables de 10 à 2000 grammes de force (gf). Les duromètres standards Vickers Macro ont des charges de 1 à 50 kgf. Ces instruments sont non seulement très limités dans la gamme de charges, mais ils sont également imprécis lorsqu'il s'agit de surfaces plus rugueuses ou de faibles charges, lorsque les empreintes deviennent trop petites pour être mesurées visuellement. Ces limitations sont intrinsèques à l'ancienne technologie et, par conséquent, l'indentation instrumentée devient le choix standard en raison de la précision et des performances supérieures qu'elle apporte.

Avec Grâce aux systèmes d'essais micro-mécaniques de NANOVEA, leaders dans le monde, la dureté Vickers est automatiquement calculée à partir des données de profondeur en fonction de la charge, avec la plus large gamme de charges jamais disponible sur un seul module (0,3 gramme à 2 kg ou 6 grammes à 40 kg). Parce qu'il mesure la dureté à partir des courbes de profondeur en fonction de la charge, le micro-module NANOVEA peut mesurer tous les types de matériaux, y compris les matériaux très élastiques. Il peut également fournir non seulement la dureté Vickers, mais aussi des données précises sur le module élastique et le fluage, en plus d'autres types d'essais tels que les tests d'adhérence aux rayures, l'usure, les tests de fatigue, la limite d'élasticité et la résistance à la rupture, pour une gamme complète de données de contrôle de la qualité.

DÉSORMAIS LE LEADER MONDIAL DES ESSAIS MICRO-MÉCANIQUES

Dans cette note d'application, il sera expliqué comment le Micro Module a été conçu pour offrir les meilleurs essais instrumentés d'indentation et de rayure au monde. La large gamme de tests du Micro Module est idéale pour de nombreuses applications. Par exemple, la plage de charge permet de mesurer avec précision la dureté et le module d'élasticité de revêtements minces et d'appliquer ensuite des charges beaucoup plus élevées pour mesurer l'adhérence de ces mêmes revêtements.

OBJECTIF DE MESURE

La capacité du micro-module est illustrée par les données suivantes NANOVEA CB500 Testeur Méchanique par
réaliser des essais d'indentation et de rayure avec une précision et une fiabilité supérieures en utilisant une large gamme de charges allant de 0,03 à 200 N.

NANOVEA

CB500

EN SAVOIR PLUS

CONDITIONS DE TEST

Une série (3×4, 12 indentations au total) de micro-indentations a été réalisée sur un échantillon d'acier standard à l'aide d'un pénétrateur Vickers. La charge et la profondeur ont été mesurées et enregistrées pour le cycle complet de l'essai d'indentation. Les indentations ont été réalisées à différentes charges maximales allant de 0,03 N à 200 N (0,0031 à 20,4 kgf) afin de démontrer la capacité du micro module à réaliser des tests d'indentation précis à différentes charges. Il convient de noter qu'une cellule de charge optionnelle de 20 N est également disponible pour fournir une résolution 10 fois plus élevée pour les tests dans la gamme de charge inférieure de 0,3 gf à 2 kgf.

Deux essais de rayure ont été réalisés à l'aide du Micro Module avec une charge augmentée linéairement de 0,01 N à 200 N et de 0,01 N à 0,5 N, respectivement, à l'aide d'un stylet en diamant conico-sphérique dont le rayon de la pointe est de 500 μm et 20 μm.

Vingt Microindentation ont été effectués sur l'échantillon standard d'acier à 4 N, mettant en évidence la répétabilité supérieure des résultats du Micro Module qui contraste avec les performances des testeurs de dureté Vickers conventionnels.

*microindent sur l'échantillon d'acier

PARAMÈTRES D'ESSAI

de la cartographie de l'indentation

MAPPING : 3 PAR 4 INDENTS

RÉSULTATS ET DISCUSSION

Le nouveau Micro Module possède une combinaison unique de moteur Z, de cellule de charge à haute force et d'un capteur de profondeur capacitif de haute précision. L'utilisation unique de capteurs de profondeur et de charge indépendants garantit une grande précision dans toutes les conditions.

Les essais de dureté Vickers conventionnels utilisent des pointes de pénétrateur pyramidales à base de diamant qui créent des empreintes de forme carrée. En mesurant la longueur moyenne de la diagonale, d, la dureté Vickers peut être calculée.

En comparaison, la technique d'indentation instrumentée utilisée par NANOVEALe micro-module de l'entreprise mesure directement les propriétés mécaniques à partir des mesures de charge et de déplacement de l'empreinte. Aucune observation visuelle de l'indentation n'est nécessaire. Cela élimine les erreurs de traitement d'image de l'utilisateur ou de l'ordinateur dans la détermination des valeurs d de l'indentation. Le capteur de profondeur à condensateur de haute précision, avec un très faible niveau de bruit de 0,3 nm, peut mesurer avec précision la profondeur des empreintes qu'il est difficile, voire impossible, de mesurer visuellement au microscope avec les appareils de mesure de dureté Vickers traditionnels.

En outre, la technique du cantilever utilisée par les concurrents applique la charge normale sur une poutre en porte-à-faux par un ressort, et cette charge est à son tour appliquée sur le pénétrateur. Une telle conception présente un défaut en cas d'application d'une charge élevée - la poutre en porte-à-faux ne peut pas fournir une rigidité structurelle suffisante, ce qui entraîne une déformation de la poutre en porte-à-faux et, par conséquent, un désalignement du pénétrateur. En comparaison, le micro-module applique la charge normale via le moteur Z agissant sur la cellule de charge, puis le pénétrateur pour une application directe de la charge. Tous les éléments sont alignés verticalement pour une rigidité maximale, garantissant des mesures d'indentation et de rayure répétables et précises dans toute la plage de charge.

Vue rapprochée du nouveau Micro Module

INDENTATION DE 0,03 À 200 N

L'image de la carte d'indentation est présentée dans la FIGURE 1. La distance entre les deux indentations adjacentes au-dessus de 10 N est de 0,5 mm, tandis que celle aux charges inférieures est de 0,25 mm. Le contrôle de position de haute précision de la platine de l'échantillon permet aux utilisateurs de sélectionner l'emplacement cible pour la cartographie des propriétés mécaniques. Grâce à l'excellente rigidité du micro module due à l'alignement vertical de ses composants, le pénétrateur Vickers conserve une orientation verticale parfaite lorsqu'il pénètre dans l'échantillon d'acier sous une charge allant jusqu'à 200 N (400 N en option). Cela crée des impressions de forme carrée symétrique sur la surface de l'échantillon à différentes charges.

Les indentations individuelles à différentes charges sous le microscope sont affichées à côté des deux rayures comme le montre la FIGURE 2, afin de démontrer la capacité du nouveau micro-module à effectuer des tests d'indentation et de rayure dans une large gamme de charges avec une grande précision. Comme le montrent les graphiques de la charge normale en fonction de la longueur de la rayure, la charge normale augmente linéairement lorsque le stylet diamanté conico-sphérique glisse sur la surface de l'échantillon d'acier. Il crée une trace de rayure lisse et droite dont la largeur et la profondeur augmentent progressivement.

FIGURE 1: Carte d'indentation

Deux essais de rayure ont été réalisés à l'aide du Micro Module avec une charge augmentée linéairement de 0,01 N à 200 N et de 0,01 N à 0,5 N, respectivement, à l'aide d'un stylet en diamant conico-sphérique dont le rayon de la pointe est de 500 μm et 20 μm.

Vingt tests de microindentation ont été effectués sur l'échantillon standard d'acier à 4 N, mettant en évidence la répétabilité supérieure des résultats du micro-module, qui contraste avec les performances des duromètres Vickers conventionnels.

A : INDENTATION ET RAYURE AU MICROSCOPE (360X)

B : INDENTATION ET RAYURE AU MICROSCOPE (3000X)

FIGURE 2 : Courbes de charge en fonction du déplacement pour différentes charges maximales.

Les courbes charge-déplacement pendant l'indentation à différentes charges maximales sont illustrées dans le tableau ci-dessous. FIGURE 3. La dureté et le module d'élasticité sont résumés et comparés dans la FIGURE 4. L'échantillon d'acier présente un module d'élasticité constant tout au long de la charge d'essai allant de 0,03 à 200 N (plage possible de 0,003 à 400 N), ce qui donne une valeur moyenne de ~211 GPa. La dureté présente une valeur relativement constante de ~6,5 GPa mesurée sous une charge maximale supérieure à 100 N. Lorsque la charge diminue dans une plage de 2 à 10 N, une dureté moyenne de ~9 GPa est mesurée.

FIGURE 3 : Courbes de charge en fonction du déplacement pour différentes charges maximales.

FIGURE 4 : Dureté et module de Young de l'échantillon d'acier mesurés par différentes charges maximales.

INDENTATION DE 0,03 À 200 N

Vingt essais de microindentation ont été réalisés à une charge maximale de 4N. Les courbes charge-déplacement sont présentées dans FIGURE 5 et la dureté Vickers et le module de Young qui en résultent sont indiqués dans le tableau suivant FIGURE 6.

FIGURE 5 : Courbes charge-déplacement pour les essais de microindentation à 4 N.

FIGURE 6 : Dureté Vickers et module d'Young pour 20 microindentations à 4 N.

Les courbes charge-déplacement démontrent la répétabilité supérieure du nouveau Micro Module. L'étalon d'acier possède une dureté Vickers de 842±11 HV mesurée par le nouveau Micro Module, par rapport à 817±18 HV mesurée à l'aide du duromètre Vickers conventionnel. Le faible écart-type de la mesure de dureté garantit une caractérisation fiable et reproductible des propriétés mécaniques dans la R&D et le contrôle de la qualité des matériaux, tant dans le secteur industriel que dans la recherche universitaire.

En outre, un module d'Young de 208±5 GPa est calculé à partir de la courbe charge-déplacement, qui n'est pas disponible pour le duromètre Vickers conventionnel en raison de l'absence de mesure de la profondeur pendant l'indentation. Au fur et à mesure que la charge diminue et que la taille de l'indentation diminue, le module d'Young est plus élevé. NANOVEA Les avantages des micro-modules en termes de répétabilité par rapport aux duromètres Vickers augmentent jusqu'à ce qu'il ne soit plus possible de mesurer l'empreinte par inspection visuelle.

L'avantage de mesurer la profondeur pour calculer la dureté devient également évident lorsqu'on a affaire à des échantillons plus rugueux ou plus difficiles à observer avec les microscopes standard fournis avec les duromètres Vickers.

CONCLUSION

Dans cette étude, nous avons montré comment le nouveau Micro Module NANOVEA (gamme 200 N), leader mondial, réalise des mesures d'indentation et de rayure d'une précision et d'une reproductibilité inégalées dans une large gamme de charges allant de 0,03 à 200 N (3 gf à 20,4 kgf). Un micro-module optionnel de gamme inférieure permet de réaliser des tests de 0,003 à 20 N (0,3 gf à 2 kgf). L'alignement vertical unique du moteur Z, de la cellule de charge à haute force et du capteur de profondeur garantit une rigidité structurelle maximale pendant les mesures. Les indentations mesurées à différentes charges possèdent toutes une forme carrée symétrique sur la surface de l'échantillon. Une trace de rayure droite dont la largeur et la profondeur augmentent progressivement est créée lors du test de rayure d'une charge maximale de 200 N.

Le nouveau Micro Module peut être configuré sur la base mécanique PB1000 (150 x 200 mm) ou CB500 (100 x 50 mm) avec une motorisation en Z (portée de 50 mm). Associés à un système de caméra puissant (précision de position de 0,2 micron), les systèmes offrent les meilleures capacités d'automatisation et de cartographie du marché. NANOVEA propose également une fonction brevetée unique (EP n° 30761530) qui permet de vérifier et d'étalonner les pénétrateurs Vickers en effectuant une seule pénétration sur toute la gamme de charges. En revanche, les duromètres Vickers standard ne peuvent fournir un étalonnage que pour une seule charge.

En outre, le logiciel NANOVEA permet à l'utilisateur de mesurer la dureté Vickers via la méthode traditionnelle de mesure des diagonales de l'empreinte si nécessaire (pour ASTM E92 & E384). Comme le montre ce document, les essais de dureté en fonction de la profondeur et de la charge (ASTM E2546 et ISO 14577) effectués par un micro module NANOVEA sont précis et reproductibles par rapport aux duromètres traditionnels. En particulier pour les échantillons qui ne peuvent pas être observés/mesurés avec un microscope.

En conclusion, la précision et la répétabilité supérieures de la conception du Micro Module, avec sa large gamme de charges et de tests, ses options d'automatisation et de cartographie élevées, rendent obsolètes les duromètres Vickers traditionnels. Il en va de même pour les testeurs de rayures et de micro-rayures qui sont encore proposés actuellement mais qui ont été conçus avec des défauts dans les années 1980.

Le développement et l'amélioration continus de cette technologie font de NANOVEA un leader mondial des essais micro-mécaniques.

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