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Il leader mondiale dei tester micro meccanici

ORA IL LEADER MONDIALE

TEST MICRO MECCANICI

Preparato da

PIERRE LEROUX & DUANJIE LI, PhD

INTRODUZIONE

I microtester di durezza Vickers standard hanno intervalli di carico utilizzabili da 10 a 2000 grammi di forza (gf). I durometri Vickers Macro standard hanno un carico da 1 a 50 Kgf. Questi strumenti non solo sono molto limitati nella gamma di carichi, ma sono anche imprecisi quando si tratta di superfici più ruvide o di carichi bassi, quando le tacche diventano troppo piccole per essere misurate visivamente. Queste limitazioni sono intrinseche alla vecchia tecnologia e di conseguenza l'indentazione strumentale sta diventando la scelta standard grazie alla maggiore precisione e alle prestazioni che offre.

Con La durezza Vickers viene calcolata automaticamente dai dati di profondità rispetto al carico, con il più ampio intervallo di carico mai disponibile su un singolo modulo (da 0,3 grammi a 2 kg o da 6 grammi a 40 kg). Poiché misura la durezza dalle curve di profondità rispetto al carico, il Micro Modulo NANOVEA può misurare qualsiasi tipo di materiale, compresi quelli molto elastici. Inoltre, è in grado di fornire non solo la durezza Vickers, ma anche dati accurati sul modulo elastico e sul creep, oltre ad altri tipi di test come le prove di adesione ai graffi, l'usura, le prove di fatica, la resistenza allo snervamento e la tenacità alla frattura, per una gamma completa di dati sul controllo qualità.

ORA LEADER MONDIALE NEI TEST MICRO MECCANICI

In questa nota applicativa viene spiegato come il Modulo Micro sia stato progettato per offrire il miglior test strumentale di indentazione e graffiatura al mondo. L'ampia gamma di test del Modulo Micro è ideale per molte applicazioni. Ad esempio, l'intervallo di carico consente di misurare con precisione la durezza e il modulo elastico di rivestimenti duri e sottili e di applicare carichi molto più elevati per misurare l'adesione di questi stessi rivestimenti.

OBIETTIVO DI MISURAZIONE

La capacità del micro modulo è evidenziata con la dicitura NANOVEA CB500 Tester meccanico di
che esegue test di indentazione e di graffiatura con una precisione e un'affidabilità superiori, utilizzando un'ampia gamma di carichi da 0,03 a 200 N.

NANOVEA

CB500

CONDIZIONI DI PROVA

È stata eseguita una serie (3×4, 12 indentature in totale) di microindentazioni su un campione di acciaio standard utilizzando un penetratore Vickers. Il carico e la profondità sono stati misurati e registrati per l'intero ciclo di prova di indentazione. Le indentazioni sono state eseguite con carichi massimi diversi, da 0,03 N a 200 N (da 0,0031 a 20,4 kgf), per dimostrare la capacità del micro modulo di eseguire test di indentazione accurati a carichi diversi. Vale la pena notare che è disponibile anche una cella di carico opzionale da 20 N per fornire una risoluzione 10 volte superiore per i test nella gamma di carico inferiore da 0,3 gf a 2 kgf.

Sono stati eseguiti due test di graffiatura utilizzando il modulo Micro con un carico aumentato linearmente da 0,01 N a 200 N e da 0,01 N a 0,5 N, rispettivamente, utilizzando uno stilo diamantato conico-sferico con raggio della punta di 500 m e 20 m.

Sono state eseguite venti prove di microindentazione sul campione standard di acciaio a 4 N, dimostrando la superiore ripetibilità dei risultati del modulo Micro, in contrasto con le prestazioni dei tradizionali tester di durezza Vickers.

*microindentatore sul campione di acciaio

PARAMETRI DEL TEST

della mappatura dell'indentazione

MAPPATURA: 3 PER 4 INDENTI

RISULTATI E DISCUSSIONE

Il nuovo modulo micro presenta una combinazione unica di motore Z, cella di carico ad alta forza e sensore di profondità capacitivo ad alta precisione. L'utilizzo esclusivo di sensori di profondità e di carico indipendenti garantisce un'elevata precisione in tutte le condizioni.

Le prove di durezza Vickers convenzionali utilizzano punte di penetrazione piramidali a base quadrata di diamante che creano impronte di forma quadrata. Misurando la lunghezza media della diagonale, d, è possibile calcolare la durezza Vickers.

In confronto, la tecnica di indentazione strumentale utilizzata da NANOVEAIl modulo micro misura direttamente le proprietà meccaniche dalle misure di carico e spostamento dell'indentazione. Non è necessaria l'osservazione visiva dell'indentazione. Ciò elimina gli errori di elaborazione delle immagini da parte dell'utente o del computer nel determinare i valori d dell'indentazione. Il sensore di profondità a condensatore ad alta precisione, con un livello di rumore molto basso di 0,3 nm, è in grado di misurare con precisione la profondità di tacche che sono difficili o impossibili da misurare visivamente al microscopio con i tradizionali misuratori di durezza Vickers.

Inoltre, la tecnica del cantilever utilizzata dai concorrenti applica il carico normale su una trave a sbalzo tramite una molla, e questo carico viene a sua volta applicato al penetratore. Questo tipo di progettazione presenta un difetto nel caso in cui venga applicato un carico elevato: la trave a sbalzo non è in grado di fornire una rigidità strutturale sufficiente, con conseguente deformazione della trave a sbalzo e conseguente disallineamento del penetratore. In confronto, il Modulo Micro applica il carico normale tramite il motore Z che agisce sulla cella di carico e poi sul penetratore per l'applicazione diretta del carico. Tutti gli elementi sono allineati verticalmente per garantire la massima rigidità, assicurando misure di indentazione e graffiatura ripetibili e accurate nell'intera gamma di carichi.

Vista ravvicinata del nuovo modulo Micro

RIENTRANZA DA 0,03 A 200 N

L'immagine della mappa di indentazione è riportata in FIGURA 1. La distanza tra le due indentature adiacenti al di sopra di 10 N è di 0,5 mm, mentre quella a carichi inferiori è di 0,25 mm. Il controllo di posizione ad alta precisione dello stadio del campione consente agli utenti di selezionare la posizione di destinazione per la mappatura delle proprietà meccaniche. Grazie all'eccellente rigidità del micro modulo dovuta all'allineamento verticale dei suoi componenti, il penetratore Vickers mantiene un perfetto orientamento verticale mentre penetra nel campione di acciaio con un carico fino a 200 N (400 N opzionale). Questo crea impronte di forma quadrata simmetrica sulla superficie del campione a diversi carichi.

Le singole indentature a diversi carichi al microscopio sono visualizzate insieme ai due graffi, come mostrato nella FIGURA 2, per mostrare la capacità del nuovo micro modulo di eseguire test di indentazione e graffiatura in un ampio intervallo di carico con un'elevata precisione. Come mostrato nei grafici del carico normale rispetto alla lunghezza del graffio, il carico normale aumenta linearmente quando lo stilo diamantato conico-sferico scorre sulla superficie del campione di acciaio. Si crea così una traccia di graffio rettilinea e liscia di larghezza e profondità progressivamente maggiori.

FIGURA 1: Mappa di indentazione

Sono stati eseguiti due test di graffiatura utilizzando il modulo Micro con un carico aumentato linearmente da 0,01 N a 200 N e da 0,01 N a 0,5 N, rispettivamente, utilizzando uno stilo diamantato conico-sferico con raggio della punta di 500 m e 20 m.

Sono state eseguite venti prove di microindentazione sul campione standard di acciaio a 4 N, dimostrando la superiore ripetibilità dei risultati del modulo Micro, in contrasto con le prestazioni dei tradizionali tester di durezza Vickers.

A: INDENTAZIONE E GRAFFIO AL MICROSCOPIO (360X)

B: INDENTAZIONE E GRAFFIO AL MICROSCOPIO (3000X)

FIGURA 2: Grafici carico-spostamento a diversi carichi massimi.

Le curve carico-spostamento durante l'indentazione a diversi carichi massimi sono mostrate in FIGURA 3. La durezza e il modulo elastico sono riassunti e confrontati nella FIGURA 4. Il campione di acciaio presenta un modulo elastico costante per tutto il carico di prova che va da 0,03 a 200 N (possibile intervallo da 0,003 a 400 N), con un valore medio di ~211 GPa. La durezza presenta un valore relativamente costante di ~6,5 GPa misurato con un carico massimo superiore a 100 N. Quando il carico diminuisce fino a un intervallo compreso tra 2 e 10 N, si misura una durezza media di ~9 GPa.

FIGURA 3: Grafici carico-spostamento a diversi carichi massimi.

FIGURA 4: Durezza e modulo di Young del campione di acciaio misurati con diversi carichi massimi.

RIENTRANZA DA 0,03 A 200 N

Sono state eseguite venti prove di microindentazione con un carico massimo di 4N. Le curve di carico-spostamento sono visualizzate in FIGURA 5 e la durezza Vickers e il modulo di Young risultanti sono mostrati in FIGURA 6.

FIGURA 5: Curve carico-spostamento per prove di microindentazione a 4 N.

FIGURA 6: Durezza Vickers e Modulo di Young per 20 microindentature a 4 N.

Le curve di carico-spostamento dimostrano la superiore ripetibilità del nuovo Modulo Micro. L'acciaio standard ha una durezza Vickers di 842±11 HV misurata dal nuovo Modulo Micro, rispetto a 817±18 HV misurata con il tester di durezza Vickers convenzionale. La piccola deviazione standard della misura della durezza garantisce una caratterizzazione affidabile e riproducibile delle proprietà meccaniche nella ricerca e sviluppo e nel controllo di qualità dei materiali sia nel settore industriale che nella ricerca accademica.

Inoltre, dalla curva carico-spostamento è stato calcolato un modulo di Young di 208±5 GPa, che non è disponibile per il tester di durezza Vickers convenzionale a causa della mancata misurazione della profondità durante l'indentazione. Al diminuire del carico e delle dimensioni dell'indentazione, il modulo di Young s è stato calcolato in base alla curva carico-spostamento. NANOVEA I vantaggi di Micro Module in termini di ripetibilità rispetto ai durometri Vickers aumentano fino a quando non è più possibile misurare il rientro attraverso l'ispezione visiva.

Il vantaggio di misurare la profondità per calcolare la durezza diventa evidente anche quando si ha a che fare con campioni più ruvidi o più difficili da osservare con i microscopi standard in dotazione ai durometri Vickers.

CONCLUSIONE

In questo studio abbiamo dimostrato come il nuovo modulo NANOVEA Micro (gamma 200 N), leader a livello mondiale, esegua misure di indentazione e graffiatura riproducibili e precise in un'ampia gamma di carichi da 0,03 a 200 N (da 3 gf a 20,4 kgf). Un modulo micro opzionale a gamma inferiore può fornire test da 0,003 a 20 N (da 0,3 gf a 2 kgf). L'esclusivo allineamento verticale del motore Z, della cella di carico ad alta forza e del sensore di profondità garantisce la massima rigidità strutturale durante le misurazioni. Le indentature misurate a diversi carichi hanno tutte una forma quadrata simmetrica sulla superficie del campione. Nel test di graffiatura con un carico massimo di 200 N viene creata una traccia rettilinea di larghezza e profondità progressivamente crescenti.

Il nuovo modulo Micro può essere configurato sulla base meccanica PB1000 (150 x 200 mm) o CB500 (100 x 50 mm) con una motorizzazione z (portata 50 mm). In combinazione con un potente sistema di telecamere (precisione di posizione di 0,2 micron), i sistemi offrono le migliori capacità di automazione e mappatura del mercato. NANOVEA offre anche un'esclusiva funzione brevettata (EP n. 30761530) che consente di verificare e calibrare i penetratori Vickers eseguendo un singolo rientro sull'intera gamma di carichi. Al contrario, i durometri Vickers standard possono fornire la calibrazione a un solo carico.

Inoltre, il software NANOVEA consente all'utente di misurare la durezza Vickers con il metodo tradizionale di misurazione delle diagonali del rientro, se necessario (per ASTM E92 ed E384). Come mostrato in questo documento, le prove di durezza in profondità rispetto al carico (ASTM E2546 e ISO 14577) eseguite da un Micro Modulo NANOVEA sono precise e riproducibili rispetto ai durometri tradizionali. Soprattutto per i campioni che non possono essere osservati/misurati con un microscopio.

In conclusione, la maggiore precisione e ripetibilità del progetto del Micro Modulo, con la sua ampia gamma di carichi e test, l'elevata automazione e le opzioni di mappatura rendono obsoleti i tradizionali durometri Vickers. Ma lo stesso vale per i tester per graffi e micrograffi, attualmente ancora disponibili, ma progettati con difetti degli anni '80.

Il continuo sviluppo e miglioramento di questa tecnologia fa di NANOVEA un leader mondiale nei test micro meccanici.

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