A importância da nanoindentação

Medições contínuas de rigidez (CSM) obtidas por nanoindentação revela a relação entre tensão e deformação dos materiais com métodos minimamente invasivos. Ao contrário dos métodos tradicionais de teste de tração, a nanoindentação fornece dados de tensão-deformação em nanoescala sem a necessidade de um instrumento grande. A curva de tensão-deformação fornece informações cruciais sobre o limite entre o comportamento elástico e plástico à medida que a amostra é submetida a cargas crescentes. O CSM oferece a capacidade de determinar a tensão de escoamento de um material sem equipamentos perigosos.

A nanoindentação fornece um método confiável e fácil de usar para investigar rapidamente os dados de tensão-deformação. Além disso, medir o comportamento tensão-deformação na nanoescala torna possível estudar propriedades importantes em revestimentos pequenos e partículas em materiais à medida que estes se tornam mais avançados. A nanoindentação fornece informações sobre limite elástico e resistência ao escoamento, além de dureza, módulo elástico, fluência, resistência à fratura, etc., tornando-o um instrumento de metrologia versátil.

Os dados de tensão-deformação fornecidos pela nanoindentação neste estudo identificam o limite elástico do material enquanto que apenas 1,2 microns vão para a superfície. Utilizamos o CSM para determinar como as propriedades mecânicas dos materiais se desenvolvem à medida que um indentro viaja mais profundamente para dentro da superfície. Isto é especialmente útil em aplicações de filmes finos onde as propriedades podem ser dependentes da profundidade. A nanoindentação é um método minimamente invasivo de confirmação das propriedades do material em amostras de teste.

O teste CSM é útil na medição das propriedades do material em relação à profundidade. Os testes cíclicos podem ser realizados com cargas constantes para determinar propriedades mais complexas do material. Isto pode ser útil para estudar a fadiga ou eliminar o efeito da porosidade para obter um verdadeiro módulo elástico.

Objetivo da medição

Nesta aplicação, o testador mecânico Nanovea utiliza o CSM para estudar dados de dureza e módulo elástico versus profundidade e tensão-deformação em uma amostra padrão de aço. O aço foi escolhido por suas características comumente reconhecidas para exibir o controle e a precisão dos dados de tensão-deformação em nanoescala. Uma ponta esférica com um raio de 5 mícrons foi utilizada para alcançar tensões suficientemente altas além do limite elástico para o aço.

Condições e procedimentos de teste

Foram utilizados os seguintes parâmetros de recuo:

Resultados:

O aumento da carga durante as oscilações proporciona a seguinte profundidade em relação à curva de carga. Mais de 100 oscilações foram conduzidas durante a carga para encontrar os dados de tensão-deformação à medida que o indentro penetra no material.

Determinamos o estresse e a tensão a partir das informações obtidas em cada ciclo. A carga e profundidade máximas em cada ciclo nos permite calcular a tensão máxima aplicada em cada ciclo ao material. A deformação é calculada a partir da profundidade residual em cada ciclo, a partir da descarga parcial. Isto nos permite calcular o raio da impressão residual dividindo o raio da ponta para dar o fator de deformação. O traçado de tensão versus deformação para o material mostra as zonas elásticas e plásticas com a tensão limite elástica correspondente. Nossos testes determinaram a transição entre as zonas elástica e plástica do material a ser cerca de 0,076 tensão com um limite elástico de 1,45 GPa.

Cada ciclo atua como um único travessão para que, à medida que aumentamos a carga, realizamos testes em várias profundidades controladas no aço. Assim, a dureza e o módulo elástico versus profundidade podem ser traçados diretamente a partir dos dados obtidos para cada ciclo.

À medida que o indentro viaja no material, vemos a dureza aumentar e o módulo de elasticidade diminuir.

Conclusão

Mostramos que o testador mecânico Nanovea fornece dados de tensão-deformação confiáveis. A utilização de uma ponta esférica com indentação CSM permite a medição da propriedade material sob maior tensão. A carga e o raio de indentação podem ser alterados para testar vários materiais a profundidades controladas. Os testadores mecânicos Nanovea fornecem estes testes de indentação da faixa sub mN até 400N.