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RÉSUMÉ
La nano-indentation est une technique permettant la mesure des propriétés mécaniques des couches minces et des matériaux traités en surface. Cet article s’intéresse à la mesure de dureté par nano-indentation. L’appareillage très précis a nécessité d'ête détaillé : mesure et application de la force normale, mesure du déplacement normal et géométrie des indenteurs. Les précautions d’utilisation à prendre en compte sont ensuite recensées. Ensuite, une analyse de la courbe force-pénétration est livrée au lecteur.
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INTRODUCTION
La nano-indentation est une technique simple pour mesurer les propriétés mécaniques de couches minces et de matériaux traités en surface. Elle nécessite néanmoins un appareillage très précis et quelques précautions d'utilisation.
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Analyse de la courbe force-pénétration2. Appareillage
Afin de ne tester que la surface des matériaux (quelques dizaines de nanomètres), les capteurs utilisés en nano-indentation doivent répondre à des critères très précis, notamment en termes de résolution et de dérive en température.
La pointe d'indentation est montée sur ces capteurs par l'intermédiaire d'une tige métallique à faible coefficient de dilatation thermique. Cette pointe est réalisée en matériau dur et possède une géométrie bien définie. L'usure de cette pointe au cours du temps ou ses défauts de façonnage doivent être évalués avec précision.
2.1 Mesure et application de la force normale
Les forces appliquées en nano-indentation, typiquement de l'ordre du millinewton, varient entre quelques dizaines de micronewtons et 1 N. Ainsi, la nano-indentation fait le lien entre la micro-indentation et les microscopies de champ proche. Aucun capteur ne permet de couvrir de manière résolue l'ensemble de ces gammes de forces et de déplacements. Le choix du nano-indenteur, et donc de la technologie des capteurs, est dicté par le type de mesure désirée : charge appliquée, profondeur souhaitée, dureté de l'échantillon.
HAUT DE PAGE
Dans un capteur de force électrostatique ou capacitif (figure 1), la force désirée est obtenue en appliquant une différence de potentiel U entre les électrodes. Ce capteur de force est généralement couplé à un capteur de position. Trois plaques métalliques, dont deux fixes et une mobile au centre maintenue par des ressorts, constituent le système.
L'application d'une tension U génère une force normale Fz :
( 1 )
E f est une constante qui dépend de l'aire des électrodes A et de la distance d entre la plaque centrale et les autres plaques :
...
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Appareillage
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - HERTZ (H.) - On the contact of elastic solids. - J. Reine Angew. Math., 92, 156 (1881).
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(2) - AUDISIO (S.), CAILLET (M.), GALERIE (A.), MAZILLE (H.) - Revêtements et traitements de surface. Fonctionnalités, durabilité, procédés. - Presses Polytechniques et Universitaires Romandes (1999).
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(3) - OLIVER (W.C.), PHARR (G.M.) - * - J. Mater. Res., 7, no 6, 1564 (1992).
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(4) - SNEDDON (I.N.) - * - International Journal of Engineering Science, 3, 47 (1965).
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(5) - Everything you want to know about nano-indentation. - http://www.nanoindentation.cornell.edu/
-
(6) - FISHER-CRIPPS (A.C.) - Nano-indentation. - Mechanical Engineering Series, Springer (2002).
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