Ceramica: Mappatura veloce di nanoindentazione per il rilevamento dei grani

INTRODUZIONE

 

Nanoindentazione è diventata una tecnica ampiamente applicata per misurare il comportamento meccanico dei materiali su piccola scala^{i ii}. Le curve di spostamento del carico ad alta risoluzione derivanti da una misurazione di nanoindentazione possono fornire una varietà di proprietà fisico-meccaniche, tra cui durezza, modulo di Young, scorrimento, resistenza alla frattura e molte altre.

 

 

Importanza dell'indentazione della mappatura rapida

 

Un ostacolo significativo per l’ulteriore divulgazione della tecnica di nanoindentazione è il consumo di tempo. Una mappatura delle proprietà meccaniche mediante la procedura di nanoindentazione convenzionale può facilmente richiedere ore, il che ostacola l'applicazione della tecnica nei settori della produzione di massa, come quello dei semiconduttori, aerospaziale, MEMS, prodotti di consumo come piastrelle di ceramica e molti altri.

La mappatura rapida può rivelarsi essenziale nel settore della produzione di piastrelle di ceramica. Le mappature dei moduli di Durezza e Young su una singola piastrella di ceramica possono presentare una distribuzione di dati che indica quanto omogenea sia la superficie. In questa mappatura è possibile delineare le regioni più morbide su un riquadro e mostrare le posizioni più soggette a guasti a causa degli impatti fisici che si verificano quotidianamente nella residenza di qualcuno. È possibile effettuare mappature su diversi tipi di piastrelle per studi comparativi e su un lotto di piastrelle simili per misurarne la consistenza nei processi di controllo qualità. La combinazione di configurazioni di misurazione può essere ampia, nonché accurata ed efficiente con il metodo di mappatura rapida.

 

OBIETTIVO DI MISURAZIONE

 

In questo studio, la Nanovea Collaudatore meccanico, in modalità FastMap viene utilizzato per mappare le proprietà meccaniche di una piastrella ad alta velocità. Mostriamo la capacità del Nanovea Mechanical Tester di eseguire due veloci mappature di nanoindentazione con elevata precisione e riproducibilità.

 

Condizioni di prova

 

Il Nanovea Mechanical Tester è stato utilizzato per eseguire una serie di nanoindentazioni con la modalità FastMap su una piastrella del pavimento utilizzando un penetratore Berkovich. I parametri del test sono riepilogati di seguito per le due matrici di rientro create.

 

Tabella 1: riepilogo dei parametri del test.

 

RISULTATI E DISCUSSIONE 

 

Figura 1: vista 2D e 3D della mappatura della durezza a 625 rientranze.

 

 

 

Figura 2: Micrografia della matrice a 625 rientranze che mostra la grana.

 

 

Una matrice da 625 rientranti è stata condotta su uno spessore di 0,20 mm² area con una grande grana visibile presente. Questa grana (Figura 2) aveva una durezza media inferiore alla superficie complessiva della piastrella. Il software Nanovea Mechanical consente all'utente di vedere la mappa di distribuzione della durezza in modalità 2D e 3D, illustrata nella Figura 1. Utilizzando il controllo della posizione ad alta precisione del tavolino campione, il software consente agli utenti di individuare aree come queste in modo approfondito mappatura delle proprietà meccaniche.

Figura 3: vista 2D e 3D della mappatura della durezza a 1600 trattini.

 

 

Figura 4: Micrografia della matrice a 1600 rientranze.

 

 

Sulla stessa piastrella è stata inoltre creata una matrice da 1600 denti per misurare l'omogeneità della superficie. Anche in questo caso l'utente ha la possibilità di vedere la distribuzione della durezza in modalità 3D o 2D (Figura 3) nonché l'immagine al microscopio della superficie dentellata. Sulla base della distribuzione della durezza presentata, si può concludere che il materiale è poroso a causa della distribuzione uniforme dei punti dati di durezza alta e bassa.

Rispetto alle procedure convenzionali di nanoindentazione, la modalità FastMap in questo studio richiede sostanzialmente meno tempo ed è più economica. Consente una rapida mappatura quantitativa delle proprietà meccaniche, tra cui la durezza e il modulo di Young, e fornisce una soluzione per il rilevamento dei grani e della consistenza dei materiali, che è fondamentale per il controllo di qualità di una varietà di materiali nella produzione di massa.

 

 

CONCLUSIONE

 

In questo studio, abbiamo dimostrato la capacità del Nanovea Mechanical Tester nell'eseguire una mappatura della nanoindentazione rapida e precisa utilizzando la modalità FastMap. Le mappe delle proprietà meccaniche sulla piastrella in ceramica utilizzano il controllo della posizione (con precisione di 0,2 µm) degli stadi e la sensibilità del modulo di forza per rilevare i grani superficiali e misurare l'omogeneità di una superficie ad alta velocità.

I parametri di test utilizzati in questo studio sono stati determinati in base alle dimensioni della matrice e del materiale campione. È possibile scegliere una varietà di parametri di test per ottimizzare il tempo totale del ciclo di rientranza a 3 secondi per rientranza (o 30 secondi per ogni 10 rientranze).

I moduli Nano e Micro del Nanovea Mechanical Tester includono tutti modalità di test di indentazione, graffiatura e usura conformi ISO e ASTM, fornendo la gamma di test più ampia e intuitiva disponibile in un unico sistema. L'impareggiabile gamma di Nanovea è una soluzione ideale per determinare l'intera gamma di proprietà meccaniche di rivestimenti, pellicole e substrati sottili o spessi, morbidi o duri, tra cui durezza, modulo di Young, tenacità alla frattura, adesione, resistenza all'usura e molti altri.

Inoltre, sono disponibili un profilatore 3D senza contatto opzionale e un modulo AFM per l'imaging 3D ad alta risoluzione di rientranze, graffi e tracce di usura oltre ad altre misurazioni superficiali come la rugosità.

 

Autore: Duanjie Li, PhD Rivisto da Pierre Leroux e Jocelyn Esparza