Mesure contrainte-déformation par nanoindentation cyclique

Les mesures continues de la raideur (CSM) obtenues par nanoindentation révèlent la relation contrainte-déformation des matériaux par des méthodes très peu invasives. Contrairement aux essais de traction traditionnels, la nanoindentation fournit des données contrainte-déformation à l'échelle nanométrique sans nécessiter un gros instrument. La courbe contrainte-déformation renseigne sur le seuil entre comportement élastique et plastique lorsque l'échantillon est soumis à des charges croissantes. La CSM permet de déterminer la limite d'élasticité d'un matériau sans équipement dangereux.

La nanoindentation offre une méthode fiable et simple pour étudier rapidement des données contrainte-déformation. De plus, mesurer le comportement contrainte-déformation à l'échelle nanométrique permet d'étudier des propriétés importantes de petits revêtements et de particules dans des matériaux toujours plus avancés. La nanoindentation renseigne sur la limite élastique et la limite d'élasticité en plus de la dureté, du module d'élasticité, du fluage, de la ténacité, etc., ce qui en fait un instrument de métrologie polyvalent.

Les données contrainte-déformation fournies par nanoindentation dans cette étude identifient la limite élastique du matériau en ne pénétrant que de 1,2 micron dans la surface. Nous utilisons la CSM pour déterminer comment les propriétés mécaniques évoluent à mesure que l'indenteur s'enfonce dans la surface. C'est particulièrement utile pour les couches minces, dont les propriétés peuvent dépendre de la profondeur. La nanoindentation est une méthode très peu invasive pour confirmer les propriétés des matériaux sur des échantillons d'essai.

L'essai CSM est utile pour mesurer les propriétés des matériaux en fonction de la profondeur. Des essais cycliques peuvent être réalisés à charge constante pour déterminer des propriétés plus complexes. Cela peut servir à étudier la fatigue ou à éliminer l'effet de la porosité pour obtenir le module d'élasticité réel.

ℹ️ En savoir plus sur nos services de laboratoire en nanoindentation.

Les paramètres d'indentation suivants ont été utilisés :

L'augmentation de la charge pendant les oscillations donne la courbe profondeur-charge suivante. Plus de 100 oscillations ont été réalisées pendant le chargement pour obtenir les données contrainte-déformation à mesure que l'indenteur pénètre le matériau.

Nous avons déterminé contrainte et déformation à partir des informations obtenues à chaque cycle. La charge et la profondeur maximales de chaque cycle permettent de calculer la contrainte maximale appliquée au matériau à ce cycle. La déformation est calculée à partir de la profondeur résiduelle de chaque cycle après le déchargement partiel. On en déduit le rayon de l'empreinte résiduelle, que l'on divise par le rayon de la pointe pour obtenir le facteur de déformation. Tracer la contrainte en fonction de la déformation fait apparaître les domaines élastique et plastique et la contrainte de limite élastique correspondante. Nos essais ont situé la transition entre les domaines élastique et plastique du matériau vers une déformation de 0,076, avec une limite élastique de 1,45 GPa.

Chaque cycle agit comme une indentation à part entière : en augmentant la charge, on réalise donc des essais à différentes profondeurs contrôlées dans l'acier. La dureté et le module d'élasticité en fonction de la profondeur peuvent ainsi être tracés directement à partir des données de chaque cycle.

À mesure que l'indenteur s'enfonce dans le matériau, la dureté augmente et le module d'élasticité diminue.

Nous avons montré que le testeur mécanique NANOVEA fournit des données contrainte-déformation fiables. L'utilisation d'une pointe sphérique en indentation CSM permet de mesurer les propriétés du matériau sous contrainte croissante. La charge et le rayon de l'indenteur peuvent être modifiés pour tester différents matériaux à des profondeurs contrôlées. Les testeurs mécaniques NANOVEA réalisent ces essais d'indentation de la plage sub-mN jusqu'à 400N.