Universitatea Transilvania BrasovFacultatea de tiinta i Ingineria MaterialelorGrupa IMMA 3721

Metode Avansate de Analiz n tiinta Materialelor

Alexe Ioana-LauraGhiu Ioana

An universitar 2012/2013

Aspecte experimentale de nanoindentareI. De ce, ce i cum?

Krystyn J. Van Vliet3.052 Spring 2003February 11, 2003

De ce nanoindentare?Ingineria materialelor este tiina care se ocup cu optimizarea compoziiei materialelor, structurii si prelucrarea lor pentru aplicaii speciale.Mecanica de la dimensiuni mici: Analizarea materialelor , cercetarea dac straturile subiri, liniile, punctele de materiale au proprieti mecanice .Fizica materialelor: Msurarea proceselor de deformare cum ar fi dezvoltarea fisurilor.Definiie: Sondarea mecanic, msurarea profunzimii i ncrcturii suprafeei unui material la adncimi de nm.

De ce nanoindentare?1. Ingineria materialelorTensiune uniaxiala/comprimare10 gTestarea duritatiiPLA= P/Ae = [Lf-Li]/LiP = mgH = P/[pD2/4]DJohannes Brinell (1880)syE = s/en

De ce nanoindentare?1. Ingineria materialelorIndentarea la adancimi diferite pentru a crea relatiide tensiune-solicitare = a/Rs a P/pa2Solicitare multiaxiala

Necesit deformare plastic pentru a se realiza indentareaRa

De ce nanoindentare?1. Ingineria materialelorStraturi subiri microelectroniceElectromigrare

Folosirea nanoindentrii pentru msurarea suprafeelor foarte subiri.Se folosesc capete ascuite pentru a diminua efectele asupra substratului. tf10 nm 1 mm

De ce nanoindentare?2. Mecanisme unice de dimensiuni foarte miciSunt afectate proprietile mecanice n urma prelucrarii?

E, sy, n f?

Cnd structurile se apropie de dimensiuni atomice, efectele mecanice sunt cuantificate?

De ce nanoindentare?Prin cercetarea materialelor la dimensiuni aproape atomice putem nva despre mecanismul fundamental de deformare?

Polimeri: elasticitate entropic

Progresare prin creterea numrului de microelectronice ( procesoare de semnal)3. Fizica materialelorCeramica: nasterea fracturilorMetale: dislocarea nucleara, curgerea materialului

Ce este nanoindentarea?Arata raspunsul P-h la ncrcare/descrcareDiscut histerezisul i ce nseamnIntroduce concepte de msurare indirectRecunoate un material dar nu d informaii exacte de proprietiPh

Ce este nanoindentarea?Testarea unui material de dimensiuni mici pentru a afla informatii valabile la dimensiuni mari.Transpunerea unei tensiuni multiaxiale in proprietati uniaxiale

Ce este nanoindentarea?Arat variabilele :C = curba de ncrcaredP/dh = rezistena la descrcarePmax, hmaxWp = deformarea plastic dup indentareWt = lucrul mecanic al indentriiCdP/dhWpWe

SiC (ceramic)50035 mN16 nN100 nmAdancime500 nm1002 mNCe este nanoindentarea?IncarcarePE (polymer)

Cum funcioneaz nanoindentarea?A. Presupuneri n legatur cu materialulContinuuOmogenElastoplasticSferic: * Elastic, apoi plastic * Greu de prelucrat- diamant Ascuit: * Elastic si plastic * Poate deforma diamantul n forma de piramida si nu con VickersBerkovichB. Considerentele capului de indentare

Cum funcioneaz nanoindentarea?C. Aparatura:TriboindenterHysitron, MNNanoIndenterMTS, TNNanoTestMicroMaterials, UK

Cum funcioneaz nanoindentarea?C. AparaturaCondensator cu 3 placi

+-

Capacitanta plcilor paralele:

Cum funcioneaz nanoindentarea?Cmpul electric dintre dou plci paralele: E = V/dDiferena de voltaj dintre dou plci cand+q se muta de la o plac pozitiv la alta negativ:Capacitana:Important la nanoindentare:Cu ct plcile se apropie , d scade iar V ,C creteMsurator rezistent la temperatur i zgomot

Inductana unui solenoid

Cum functioneaza nanoindentarea?Important la nanoindentare:(1) Poate fi folosit pentru micri exact (schimbare n I)(2) Poate fi folosit la msurarea ncrcturii(schimbare n I sauV)Pentru A fix, o schimbare in curentul I duce la:AstfelInductana este schimbarea n B(V) creata de o schimbare in I Campul magnetic al solenoidului:

Cum funcioneaz nanoindentarea?D. Calibrareai. P(V)ii. h(V) Adaug mas pentru ncrcarea aparatuluiDetermin I, V pentru a mica masa (ncrctura)Calculeaz relaia: P = aVDetermin punctul zero: P = aV + bMsoar C, V Calculeaz relaia : h = aVDetermin punctul zero : h = aV + b

Cum funcioneaz nanoindentarea?D. Calibrareaiii. Cm= Conformitatea aparatuluiDefiniie: Deplasarea instrumentului cu rspuns fa de ncrctura aplicat1.2.Important: Ctotal = Cmostra + CmMod de lucru:(1.) Nanoindentarea unei mostre standard Determinarea Cm empiric pentru a afla E, H(2.) Compresarea aparatului Masurarea Cm direct

Cum funcioneaz nanoindentarea?E. Controlul mediului de lucruIzolaia acustic(< 1 Hz)Controlul temperaturii(< 0.5 C)Umiditatea(< 55%)Izolarea vibraiilor(< 1 Hz)HysitronMicroMaterials

Cum funcioneaz nanoindentarea?Procedura:

1. Preparea suprafeei mostrei: Suprafeele trabuie sa fie fine i paralele2. Fixarea zonei de lucru a suprafeei

3. Profilu ncrcturii

4. Matricea programului

5. Executarea experimentului6. Analizarea datelor pentru obinerea proprietilorLumina microscoptraductorPt

Cum funcioneaz nanoindentarea?Rezultatele din materialeE [GPa]Rezultatele n compozite1. Aliaje/copolimeri2. Os tabecularBenzocyclobutene (BCB) [VanLandingham, NIST]E = 3.5 GPa[Smith, MicroMaterials][Wyrobek, Hysitron]

Cum funcioneaz nanoindentarea?Rezultatele n suprafee subiriSubstratul afecteaz rezultatul indentrii Regula empiric: hmax < 10% tf pentru ca analiza s fie viabila

Duritate constantaDuritate in scaderestratstrat + substratStratificarea Ni pe Pb-Sn : tf = 5 mm

Cum funcioneaz nanoindentarea?Rezultatele n suprafee subiriSubstratul afecteaz rezultatul indentrii Regula empiric: hmax < 10% tf pentru ca analiza s fie viabilaIncarcatura [mN]Adancime [nm]vracFoita