Nanoindentation

Le test d'indentation instrumenté, également appelé nanoindentation, est une méthode de mesure de la dureté. Partie importante des essais de matériaux, il sert à déterminer les propriétés des matériaux plastiques et élastiques tels que le module d'indentation élastique E_IT, la dureté d'indentation H_IT et le fluage d'indentation C< sub>IT.

Contrairement aux méthodes classiques de mesure de dureté - par exemple selon Vickers ou Martens - qui ne peuvent déterminer qu'une seule valeur caractéristique, la nanoindentation permet une mesure très précise et dépendante de la profondeur de plusieurs paramètres spécifiques au matériau. Les principaux domaines d'application de la nanoindentation sont les tests de peinture, de revêtements galvaniques, de matériaux durs et de polymères.

La dureté d'indentation H_IT est une mesure de la résistance à la déformation permanente (= plastique) du matériau. Elle est généralement déterminée à force maximale. La dureté Indentation peut être convertie en dureté Vickers, mais cette conversion doit être clairement indiquée.

A la différence de la dureté par indentation, la dureté Martens HM fournit des informations à la fois sur les propriétés plastiques et élastiquesdu matériau. La dureté Martens est calculée à partir du courant de profondeur d'indentation sous charge.

Le module d'indentation E_IT est une valeur d'élasticité et le plus important paramètre pour toutes les applications avec des matériaux élastiques; il est calculé à partir de la course de l'empreinte pendant le déchargement. 

Le comportement de fluage C_IT décrit la déformation supplémentaire du matériau sous une force constante. Pour déterminer cette valeur, le pénétrateur est enfoncé dans l'échantillon avec une force constante sur une période de temps (minutes à quelques heures). Des Polymères et d'autres matériaux sujets au fluage cèdent continuellement à la pression, de sorte que les profondeurs de pénétration augmentent.

Le module de stockage et le module de perte (E' et E'') décrivent comment les matériaux se comporte en vertu d'une force d'oscillation. Le module de stockage est synonyme de la composante élastique; il est proportionnel à la fraction de l'énergie de déformation stockée dans le matériau et peut être récupéré à partir du matériau après le déchargement. Le module de perte, d'autre part, représente la partie visqueuse; Il correspond à la partie de l'énergie qui est perdue car elle est convertie en chaleur lors de la compression.

Pour être en mesure de déterminer une large gamme de paramètres, les dispositifs de nanoindentation de Fischer offrent différents modes de mesure.

Dans la méthode ESP, le pénétrateur est progressivement chargé et déchargé à nouveau. Cela se produit avec une force croissante jusqu'à ce que la force maximale prédéfinie soit atteinte. Ceci permet de rapidement déterminer la force- et en fonction de la profondeur des paramètres tels que le module d'élasticité de l'indentation (E_IT), la dureté à la pénétration (H_IT) et la dureté Vickers (HV), le tout au même endroit sur l'échantillon.

Cette méthode est particulièrement utile pour tester des couches minces. La mesure en fonction de la profondeur permet aux paramètres de la couche d'être déterminés à des forces très faibles sans être influencé par le substrat. Comme la force augmente, le passage du revêtement à un matériau de base peut également être analysé.

Le mode dynamique est basé sur l'analyse mécanique dynamique (DMA). Bien que DMA est destiné à tester des matériaux solides, le mode dynamique de Fischer permet la caractérisation des matériaux à des échelles beaucoup plus petites, par exemple revêtements comme les peintures automobiles. A cette fin, un pénétrateur est enfoncé dans la surface avec une force augmentant et diminuant sinusoidalement - tout cela avec une amplitude de quelques nanomètres. Ceci permet la détermination de propriétés telles que le module d'élasticité et les modules de stockage et de perte.

Comme toutes les méthodes, il y a des facteurs qui peuvent influencer la mesure. Pour la nanoindentation, en plus de l'usure du pénétrateur et de la température, les facteurs les plus importants sont les vibrations et la rugosité. 

Fischer utilise uniquement des pénétrateurs en diamants naturels, parce qu'ils sont particulièrement résistants. Néanmoins, ils s'usent après de nombreuses mesures. Les pointes deviennent plus rond et perdent leur forme initiale. Dans une certaine mesure, cet effet peut être compensé par des mesures sur un matériau de référence, par exemple, le verre borosilicate. Cependant, une fois qu'il est usé, le pénétrateur doit être remplacé.

La température joue un rôle important dans toutes les mesures de la dureté et de l'élasticité. De nombreux matériaux, en particulier des polymères souples, subissent des changements dans leurs propriétés même avec des fluctuations de température relativement faibles. Voilà pourquoi il faut définir la température ambiante pendant la mesure.

En outre, la technologie de mesure réagit elle-même à la température. En particulier, lors de la mesure au cours de plusieurs heures, la chaleur peut se développer dans le dispositif. Lorsque différentes parties se dilatent, cela déforme les résultats. 

La plaque de pierre naturelle dans le HM2000 et le PICODENTOR HM500 les rend très stable en termes de forme et de température. Cela permet d'effectuer des mesures sur plusieurs heures sans être influencé par la température. 
 

La cause la plus fréquente de mesures incorrectes est la vibration. À de faibles charges d'essai, les résultats peuvent être faussés même par le flux d'air doux des systèmes de ventilation ou par les vibrations dans le sol dues aux bruits de pas. Pour les mesures délicates, Fischer recommande de choisir un emplacement à faibles vibrations (par exemple un sous-sol) et d'utiliser des boîtes de mesure fermées avec des tables d'amortissement.

Avec des surfaces rugueuses, le pénétrateur n’établit pas toujours un contact uniforme avec la surface de l’échantillon. C’est pourquoi les résultats sont souvent difficiles à reproduire. Si possible, les surfaces rugueuses doivent être polies avant la mesure, sinon plusieurs mesures comparatives doivent être effectuées.