Cerâmica: Mapeamento rápido de nanoindentação para detecção de grãos

INTRODUÇÃO

 

Nanoindentação tornou-se uma técnica amplamente aplicada para medir comportamentos mecânicos de materiais em pequenas escalas^{i ii}. As curvas de carga-deslocamento de alta resolução de uma medição de nanoindentação podem fornecer uma variedade de propriedades físico-mecânicas, incluindo dureza, módulo de Young, fluência, tenacidade à fratura e muitas outras.

 

 

Importância do recuo de mapeamento rápido

 

Um gargalo significativo para uma maior popularização da técnica de nanoindentação é o consumo de tempo. Um mapeamento de propriedades mecânicas por procedimento convencional de nanoindentação pode facilmente levar horas, o que dificulta a aplicação da técnica em indústrias de produção em massa, como semicondutores, aeroespacial, MEMS, produtos de consumo como revestimentos cerâmicos e muitos outros.

O mapeamento rápido pode ser essencial na indústria de fabricação de revestimentos cerâmicos. Os mapeamentos de dureza e módulo de Young em um único revestimento cerâmico podem apresentar uma distribuição de dados que indica o quão homogênea é a superfície. Regiões mais suaves em um bloco podem ser delineadas neste mapeamento e mostrar locais mais propensos a falhas devido a impactos físicos que acontecem no dia a dia na residência de alguém. Os mapeamentos podem ser feitos em diferentes tipos de ladrilhos para estudos comparativos e em um lote de ladrilhos semelhantes para medir a consistência dos ladrilhos em processos de controle de qualidade. A combinação de configurações de medições pode ser extensa, bem como precisa e eficiente com o método de mapeamento rápido.

 

OBJETIVO DA MEDIÇÃO

 

Neste estudo, a Nanovea Testador Mecânico, no modo FastMap é usado para mapear as propriedades mecânicas de um piso em altas velocidades. Demonstramos a capacidade do Nanovea Mechanical Tester em realizar dois mapeamentos rápidos de nanoindentação com alta precisão e reprodutibilidade.

 

Condições de teste

 

O Nanovea Mechanical Tester foi usado para realizar uma série de nanoindentações com o modo FastMap em um piso usando um penetrador Berkovich. Os parâmetros de teste estão resumidos abaixo para as duas matrizes de recuo criadas.

 

Tabela 1: Resumo dos parâmetros de teste.

 

RESULTADOS & DISCUSSÃO 

 

Figura 1: Visualização 2D e 3D do mapeamento de dureza de 625 recuos.

 

 

 

Figura 2: Micrografia de matriz de 625 travessões mostrando grãos.

 

 

Uma matriz de 625 indentações foi conduzida em uma matriz de 0,20mm² área com grande grão visível presente. Este grão (Figura 2) apresentou dureza média inferior à superfície total da telha. O software Nanovea Mechanical permite ao usuário ver o mapa de distribuição de dureza nos modos 2D e 3D, representados na Figura 1. Usando o controle de posição de alta precisão do estágio de amostra, o software permite aos usuários direcionar áreas como essas para obter detalhes em profundidade. mapeamento de propriedades mecânicas.

Figura 3: Visualização 2D e 3D do mapeamento de dureza de 1600 recuos.

 

 

Figura 4: Micrografia da matriz de 1600 recuos.

 

 

Uma matriz de 1600 recuos também foi criada no mesmo ladrilho para medir a homogeneidade da superfície. Aqui, novamente, o usuário tem a capacidade de ver a distribuição de dureza no modo 3D ou 2D (Figura 3), bem como a imagem microscópica da superfície recortada. Com base na distribuição de dureza apresentada, pode-se concluir que o material é poroso devido à dispersão uniforme dos pontos de dados de alta e baixa dureza.

Comparado aos procedimentos convencionais de nanoindentação, o modo FastMap neste estudo consome substancialmente menos tempo e é mais econômico. Ele permite o mapeamento quantitativo rápido de propriedades mecânicas, incluindo Dureza e Módulo de Young, e fornece uma solução para detecção de grãos e consistência de material, o que é fundamental para o controle de qualidade de uma variedade de materiais na produção em massa.

 

 

CONCLUSÃO

 

Neste estudo, demonstramos a capacidade do Nanovea Mechanical Tester em realizar mapeamento de nanoindentação rápido e preciso usando o modo FastMap. Os mapas de propriedades mecânicas do revestimento cerâmico utilizam o controle de posição (com precisão de 0,2 µm) dos estágios e a sensibilidade do módulo de força para detectar grãos superficiais e medir a homogeneidade de uma superfície em alta velocidade.

Os parâmetros de teste utilizados neste estudo foram determinados com base no tamanho da matriz e do material da amostra. Uma variedade de parâmetros de teste pode ser escolhida para otimizar o tempo total do ciclo de indentação para 3 segundos por indentação (ou 30 segundos para cada 10 indentações).

Todos os módulos Nano e Micro do Testador Mecânico Nanovea incluem modos de teste de indentação, desgaste e desgaste em conformidade com ISO e ASTM, fornecendo a gama de testes mais ampla e fácil de usar disponível em um único sistema. A linha incomparável da Nanovea é uma solução ideal para determinar toda a gama de propriedades mecânicas de revestimentos, filmes e substratos finos ou espessos, macios ou duros, incluindo dureza, módulo de Young, tenacidade à fratura, adesão, resistência ao desgaste e muitos outros.

Além disso, o perfilador 3D sem contato opcional e o módulo AFM estão disponíveis para imagens 3D de alta resolução de indentação, arranhões e marcas de desgaste, além de outras medições de superfície, como rugosidade.

 

Autor: Duanjie Li, PhD Revisado por Pierre Leroux e Jocelyn Esparza