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RÉSUMÉ
Bien que le test de rayure soit devenu un outil de mesure courant tant en recherche qu’en industrie pour le contrôle qualité, l’utilité de cette technique et sa capacité à fournir un résultat quantitatif sur l’adhérence d’un revêtement n’ont été abordées qu’à partir des années 2000. Cet article analyse les progrès réalisés dans l’interprétation des données et la détermination de propriétés mécaniques connexes à l’adhérence. L’utilisation combinée de l’essai de rayure avec d’autres techniques a fourni des informations complémentaires sur les endommagements induits qui n’étaient pas exploitables auparavant. L’article fait donc état de ces divers développements et présente ce que seront les prochains défis.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Guillaume BERTHOUT : Chef produits - Anton Paar France, Courtaboeuf, France
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Nicholas X. RANDALL : Lead Scientist et Product Manager - Anton Paar TriTec, Peseux, Suisse
INTRODUCTION
Cet article délivre une analyse précise sur les techniques de rayages instrumentés (en anglais communément appelées « scratch testing »). Ces dispositifs permettent de manière générale de caractériser de façon qualitative des revêtements et des couches minces. L’interprétation des données délivrées par ces instruments a été facilitée suite à l’avènement d’outils performants, telle que l’imagerie panoramique, le suivi du profil du test scratch et la synchronisation spatiale lors de l’observation optique d’une rayure. En outre la possibilité de modéliser la déformation d’un revêtement et de son substrat en fonction de la charge appliquée permet d’ajuster les paramètres de test pour favoriser un positionnement du maximum du champ de contrainte non loin de l’interface. Cela a conduit notamment à développer un large panel d’indenteurs avec des conditions et des pressions de contact appropriées.
Des progrès importants ont également été réalisés dans l’utilisation de la technique scratch pour mesurer des propriétés mécaniques connexes à l’adhérence telles que la ténacité, la dureté, la viscoélasticité. De même l’utilisation combinée de l’essai de rayure avec d’autres techniques comme la microscopie acoustique, la spectroscopie Raman, la microscopie in situ, etc. a fourni des informations complémentaires sur les endommagements induits (craquelures, fatigue, rupture) qui n’étaient pas systématiquement accessibles ou exploitables auparavant. L’article fait donc état de ces divers développements et présente ce que seront les défis de demain.
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MOTS-CLÉS
adhérence des revêtements résistance à la rayure endommagements sous-surfaciques extraction des données
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4. Résultats de tests scratch sur différents matériaux
Bien que traditionnellement utilisé pour caractériser des revêtements durs, le test de rayure est maintenant couramment employé pour caractériser un spectre beaucoup plus large de matériaux, allant des matériaux durs à des polymères souples, voire des élastomères. Quelques exemples typiques de chaque catégorie de matériaux sont donnés ici.
4.1 Revêtements céramiques durs
Dans les situations courantes de contrôle qualité en industrie, l’essai de rayure peut être utilisé pour un classement rapide et simple des différents revêtements afin de différencier les petits changements en termes de composition et qui pourraient avoir une incidence sur l’intégrité du revêtement et sur son adhérence.
L’exemple de la figure 13 montre une comparaison de quatre revêtements céramiques durs couramment employés pour les outils de coupe. Bien que ces revêtements présentent des épaisseurs différentes (de 2,18 à 5,19 μm), ils disposent tous du même type de substrat en carbure de tungstène (WC) et ont tous été testés sous les mêmes conditions (charge progressive de 1 à 150 N, longueur de rayure 2 mm) et un indenteur de rayon de courbure de 200 μm. Il est intéressant de noter que le revêtement AlCrN présente la meilleure adhérence avec très peu d’endommagements, y compris à la charge maximale. Mis à part quelques zones de délamination, l’intégrité du revêtement est préservée même avec une déformation plastique sous-jacente du substrat importante. Le revêtement AlCrSiTiN montre un comportement similaire avec peu de délamination, malgré une fissuration en bordure de la rayure. Le revêtement TiAlSiN montre un comportement à la fissuration semblable au revêtement AlCrSiTiN avec néanmoins une délamination totale en fin de rayure, et ce, malgré une épaisseur légèrement supérieure. Le revêtement TiN présente la résistance à la rayure la plus faible avec l’apparition précoce de la délamination complète sans fissuration préalable, ce qui suggère une faible adhérence.
HAUT DE PAGE4.2 Revêtements optiques durs
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Résultats de tests scratch sur différents matériaux
BIBLIOGRAPHIE
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(2) - BENJAMIN (P.), WEAVER (C.) - * - Proc. R. Soc. London, Ser. A, 254 163 (1960).
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Saxonian Institute of Surface Mechanics, FilmDoctor
http://www.siomec.de/FilmDoctor
HAUT DE PAGE
Anton Paar Scratch Testers
http://www.anton-paar.com/corp-en/products/group/scratch-tester/
HAUT DE PAGE
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ASTM D3359, Standard test methods for rating adhesion by tape test, ASTM International
ASTM D3363, Standard test method for film hardness by pencil test, ASTM International
ASTM D4541, Standard test method for pull-off strength of coatings using portable adhesion testers, ASTM International
ASTM D2197, Standard test method for adhesion of organic coatings by scrape adhesion, ASTM International
ISO 20502, Fine ceramics – determination...
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