ES2239507A1 - Method for evaluation of mechanical properties of material from topographic characteristics of pointed indentation, involves evaluating tension of flow and coefficient of hardening by uniaxial deformation of material - Google Patents

Method for evaluation of mechanical properties of material from topographic characteristics of pointed indentation, involves evaluating tension of flow and coefficient of hardening by uniaxial deformation of material

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ES2239507A1
ES2239507A1 ES200300880A ES200300880A ES2239507A1 ES 2239507 A1 ES2239507 A1 ES 2239507A1 ES 200300880 A ES200300880 A ES 200300880A ES 200300880 A ES200300880 A ES 200300880A ES 2239507 A1 ES2239507 A1 ES 2239507A1
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frac
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Jorge Alcala Cabrelles
Marta Mata Burgarolas
Ovidi Casals Boixados
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Universitat Politecnica de Catalunya UPC
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Universitat Politecnica de Catalunya UPC
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/40Investigating hardness or rebound hardness
    • G01N3/42Investigating hardness or rebound hardness by performing impressions under a steady load by indentors, e.g. sphere, pyramid

Abstract

The method involves inducing deformation in a material that is to be evaluated by application of a mechanical load with a relatively rigid penetrator. Tension of flow and coefficient of hardening are evaluated by uniaxial deformation of the material from measurement of topographic characteristics.

Description

Metodología para la evaluación de propiedades mecánicas de materiales a partir de las características topográficas de una indentación puntiaguda.Methodology for property evaluation mechanics of materials from the characteristics topographical of a pointed indentation.

Sector de la técnicaTechnical sector

Esta invención permite inferir propiedades mecánicas fundamentales de materiales mediante ensayos de indentación, en los que se tiene en cuenta exclusivamente el valor de dureza y la deformación existente alrededor de la huella de indentación. El procedimiento propuesto es útil en casos en los que se realizan caracterizaciones topográficas alrededor de la huella. Su particularidad respecto a otros procedimientos estriba en su total independencia del conocimiento de la curva de carga (P)-profundidad de penetración (h_{s}) del indentador en la muestra de material. Esta curva puede ser obtenida mediante técnicas avanzadas de indentación instrumentada. En una realización opcional, el procedimiento utiliza explícitamente la curva P-h_{s} en lugar de las características topográficas en la evaluación de propiedades mecánicas.This invention allows to infer properties fundamental mechanics of materials by testing indentation, in which the value is exclusively taken into account of hardness and the deformation existing around the footprint of indentation The proposed procedure is useful in cases where topographic characterizations are made around the footprint. Its particularity with respect to other procedures lies in its total independence of the load curve knowledge (P) - penetration depth (h_ {s}) of indenter in the material sample. This curve can be obtained through advanced instrumented indentation techniques. In a optional embodiment, the procedure explicitly uses the P-h_ {s} curve instead of features topographical in the evaluation of mechanical properties.

Estado de la técnicaState of the art

La invención se refiere a la determinación de propiedades mecánicas de materiales mediante ensayos de indentación puntiaguda. Los ensayos de indentación son ampliamente utilizados en la caracterización de materiales y componentes. Consisten en la aplicación de una carga mecánica con un sólido de geometría conocida (referido como indentador o penetrador), sobre una muestra plana del material cuyas características mecánicas se quieren evaluar. En la medida que se aplica la carga, el indentador produce deformación plástica que se traduce en una huella o impronta permanente en la superficie. Una vez realizado el ensayo, se mide el área de la impronta y se calcula la dureza del material como el cociente entre la carga máxima aplicada y el área medida.The invention relates to the determination of mechanical properties of materials by indentation tests  Pointy Indentation tests are widely used in the characterization of materials and components. They consist of application of a mechanical load with a solid geometry known (referred to as indenter or penetrator), on a sample flat material whose mechanical characteristics are wanted evaluate. To the extent that the load is applied, the indenter produces plastic deformation that results in a footprint or imprint permanent on the surface. Once the test is done, it is measured the area of the imprint and the hardness of the material is calculated as the quotient between the maximum applied load and the measured area.

En los últimos años se han desarrollado técnicas instrumentadas con las que se mide in situ la carga aplicada (P) y la profundidad de penetración (h_{s}) del indentador en la muestra durante el ensayo de indentación. Estas técnicas son relevantes en la industria microelectrónica y, en particular, en la caracterización de recubrimientos. Estos ensayos son efectuados en un rango de cargas típicamente inferior a 1 N, por lo que la técnica se refiere convencionalmente con el término de nano-indentación (U.S. Pat. No. 4,848,141, Oliver et al.; U.S. Pat. No. 5, 359, 879, Oliver et al.; U.S. Pat No. 4, 820, 051, Yanagisawa et al.; U.S. Pat No 4,627,096, Gattoni et al.; U.S. Pat No. 4, 699, 000, Lashmore et al.; U.S. Pat No. 4, 852, 397, Haggag; U.S. Pat. No. 6,134,954, Suresh et al.; Alcalá et al., J. Mater. Res. p. 1390 (1998); Oliver et al. J. Mater. Res. p. 1564 (1992)).In recent years, instrumented techniques have been developed with which the applied load (P) and the penetration depth (h s) of the indenter in the sample are measured in situ during the indentation test. These techniques are relevant in the microelectronic industry and, in particular, in the characterization of coatings. These tests are carried out in a load range typically less than 1 N, so the technique conventionally refers to the term nano-indentation ( US Pat. No. 4,848,141, Oliver et al .; US Pat. No. 5, 359, 879, Oliver et al .; US Pat No. 4, 820, 051, Yanagisawa et al .; US Pat No. 4,627,096, Gattoni et al .; US Pat No. 4, 699, 000, Lashmore et al .; US Pat No. 4, 852, 397, Haggag; US Pat. No. 6,134,954, Suresh et al .; Alcalá et al., J. Mater. Res. P. 1390 (1998); Oliver et al. J. Mater. Res p. 1564 (1992) ).

Tal como se pone de manifiesto en los siguientes documentos, las técnicas de indentación permiten medir la dureza al igual que evaluar propiedades mecánicas fundamentales para el diseño: M. Mata et al., J. Mater. Res. Vol. 17, 964 (2002); D. Tabor, Hardness of Metals, Clarendon Press, United Kingdom, 1951; H. O'Neill, Hardness Measurements of Metals and Alloys, Chapman Hall, 1951; M.F. Doener y W.D. Nix, J. Mater. Res. Vol. 1, p. 601 (1986); W.C. Oliver and G.M. Pharr, J. Mater. Res. Vol. 7, p. 1564, (1992); Y-T. Cheng y C-M. Cheng, J. Appl. Phys. Vol 84, p. 1284 (1998); Y-T. Cheng y C-M. Cheng, Appl. Phys. Lett. Vol. 73, p. 614 (1998); Y-T. Cheng y C-M. Cheng, Int. J. Solids Struct. Vol. 36, p. 1231 (1999); Y-T. Cheng y C-M. Cheng, J. Mater. Res. Vol. 14, p. 3493, (1999); J. Alcalá et al., J. Mater. Res., Vol. 13, p. 1390 (1998); S. Suresh et al., US Patent No. 6,134,954 (2000); J. Alcalá, J. Am. Ceram. Soc. Vol. 83, p. 1977 (2000); K. Tunvisut et al., Int. J. Solids Struct, Vol 38, p. 335 (2001; J. Alcalá et al., Mater. Sci. Engng A. vol 316, p. 1 (2001); M. Mata et al., Phil. Mag. A Vol 82, p. 1831 (2002); K. Matsuda, Phil. Mag. A, vol. 82, p. 1941 (2002); N.X. Randall, Phil. Mag. A Vol. 82, p. 1883 (2002); S.V. Hainsworth et al., J. Mater. Res., vol 11 No. 8, p. 1987 (1996); W.C. Oliver, J. Mater. Res., vol 7 No. 6, p. 1564 (1992); W.H. Robinson et al., J. Mater. Sci., vol 12, No. 10, p. 1961 (1977); M. Dao et al., Acta Mater, vol 49, p. 3899 (2001); J. Alcalá et al., Acta Mater. Vol 48, p.3451 (2000); U.S. Pat. No. 5, 490, 416, Adler).As evidenced in the following documents, indentation techniques allow to measure hardness as well as evaluate fundamental mechanical properties for the design: M. Mata et al., J. Mater. Res. Vol. 17, 964 (2002); D. Tabor, Hardness of Metals, Clarendon Press, United Kingdom, 1951; H. O'Neill, Hardness Measurements of Metals and Alloys, Chapman Hall, 1951; MF Doener and WD Nix, J. Mater. Res. Vol. 1, p. 601 (1986); WC Oliver and GM Pharr, J. Mater. Res. Vol. 7, p. 1564, (1992); YT Cheng and CM. Cheng, J. Appl. Phys. Vol 84, p. 1284 (1998); YT Cheng and CM. Cheng, Appl. Phys. Lett. Vol. 73, p. 614 (1998); YT Cheng and CM. Cheng, Int. J. Solids Struct. Vol. 36, p. 1231 (1999); YT Cheng and CM. Cheng, J. Mater. Res. Vol. 14, p. 3493, (1999); J. Alcalá et al., J. Mater. Res., Vol. 13, p. 1390 (1998); S. Suresh et al., US Patent No. 6,134,954 (2000); J. Alcalá, J. Am. Ceram. Soc. Vol. 83, p. 1977 (2000); K. Tunvisut et al., Int. J. Solids Struct, Vol 38, p. 335 (2001; J. Alcalá et al., Mater. Sci. Engng A. vol 316, p. 1 (2001); M. Mata et al., Phil. Mag. A Vol 82, p. 1831 (2002); K. Matsuda, Phil. Mag. A, vol. 82, p. 1941 (2002); NX Randall, Phil. Mag. A Vol. 82, p. 1883 (2002); SV Hainsworth et al., J. Mater. Res., Vol 11 No. 8, p. 1987 (1996); WC Oliver, J. Mater. Res., Vol 7 No. 6, p. 1564 (1992); WH Robinson et al., J. Mater. Sci ., vol 12, No. 10, p. 1961 (1977); M. Dao et al., Acta Mater, vol 49, p. 3899 (2001); J. Alcalá et al., Acta Mater. Vol 48, p .3451 (2000); US Pat. No. 5, 490, 416, Adler) .

Convencionalmente, los ensayos de indentación se clasifican según el rango de carga empleado o según la geometría del indentador que se utiliza para inducir la huella. A modo indicativo, se refiere como nano-indentación a aquellos ensayos efectuados en un rango de carga inferior a 0.5 Newton; micro-indentación a aquellos ensayos realizados entre 0.5 y 100 Newton; y macro-indentación a ensayos en los que las cargas aplicadas superan los 500 Newton. En relación a la geometría del penetrador, los ensayos se clasifican como de indentación puntiaguda o esférica. En los primeros se utilizan penetradores cónicos o piramidales y, en los segundos, indentadores esféricos. Los penetradores piramidales más empleados se denominan Vickers y Berkovich dependiendo de sus características geométricas.Conventionally, indentation tests are classified according to the load range used or according to the geometry of the indenter that is used to induce the footprint. By way of indication, those tests are referred to as nano-indentation carried out in a load range of less than 0.5 Newton; micro-indentation to those tests performed between 0.5 and 100 Newton; and macro-indentation to tests in which the applied loads exceed 500 Newton. In in relation to the geometry of the penetrator, the tests are classified as of pointed or spherical indentation. In the first ones they use conical or pyramidal penetrators and, in the seconds, spherical indenters. The most used pyramid penetrators They are called Vickers and Berkovich depending on their characteristics  geometric

En el contexto de los trabajos citados anteriormente, el objeto de la patente es la utilización de técnicas de indentación para evaluar propiedades mecánicas fundamentales de materiales que, convencionalmente, sólo podrían obtenerse mediante ensayos mecánicos uniaxiales. Este aspecto es relevante en la ingeniería ya que el diseño estructural requiere conocer a priori el comportamiento mecánico de los materiales que conforman un determinado componente. Los ensayos uniaxiales convencionales requieren la utilización de muestras (probetas) de dimensiones considerables que son difícilmente obtenibles en un número significativo de aplicaciones prácticas. Ya que la limitación del tamaño de la muestra es mucho menos severa en ensayos de indentación, su desarrollo es relevante en lo que refiere a la caracterización mecánica de materiales y estructuras. El procedimiento objeto de la patente es, por lo tanto, útil en la evaluación de la integridad estructural y control de calidad de recubrimientos, uniones soldadas y, en general, de componentes utilizados en la industria petroquímica, al igual que en chapas de pared delgada para las industrias del transporte y aeroespacial.In the context of the works cited previously, the object of the patent is the use of indentation techniques to evaluate mechanical properties fundamentals of materials that, conventionally, could only Obtained by uniaxial mechanical tests. This aspect is relevant in engineering since structural design requires know a priori the mechanical behavior of the materials that They make up a certain component. Uniaxial tests Conventional require the use of samples (specimens) of considerable dimensions that are hardly obtainable in a Significant number of practical applications. Since the limitation  of the sample size is much less severe in trials of indentation, its development is relevant in regard to the mechanical characterization of materials and structures. He The process object of the patent is therefore useful in the structural integrity assessment and quality control of coatings, welded joints and, in general, components used in the petrochemical industry, as in sheet metal thin wall for the transport and aerospace industries.

Las propiedades objeto de este procedimiento son la tensión de fluencia, también conocida como límite de fluencia o límite elástico, (\sigma_{ys}) y el coeficiente de endurecimiento por deformación uniaxial (n). La metodología propuesta es aplicable tanto en ensayos convencionales de dureza como en ensayos avanzados de indentación instrumentada, en los que se mide in situ la curva P-h_{s}.The properties object of this procedure are the creep stress, also known as creep limit or elastic limit, (\ sigma_ {ys}) and the coefficient of hardening by uniaxial deformation (n). The proposed methodology is applicable both in conventional tests of hardness and in advanced tests of instrumented indentation, in which the P-h s curve is measured in situ .

Breve descripción de la invenciónBrief Description of the Invention

Esta invención consiste en un método preciso para la evaluación de los valores del \sigma_{ys} y n de materiales a partir de (i) mediciones convencionales de dureza, y (ii) de la deformación que se genera alrededor de la huella de indentación (ver Fig.9). La invención se refiere exclusivamente a ensayos de indentación puntiaguda, realizados con indentadores cónicos o piramidales tipo Vickers y Berkovich. Un aspecto novedoso del método consiste en que, hasta el momento, las metodologías existentes para inferir \sigma_{ys} y n a partir de técnicas de indentación requerían de la medición de la curva P-h_{s} del material (U.S. Pat. No. 6,134,954, Suresh et al.; Alcalá et al., J. Mater. Res. (1998); Y-T. Cheng y C-M. Cheng, J. Appl. Phys. (1998); M. Dao et al., Acta Mater. (2001)). En la realización preferida de la invención, el conocimiento de la curva P-h_{s} es sustituido por una evaluación de la deformación alrededor de la impronta, que puede ser obtenida de forma independiente de las curvas P-h_{s} utilizando, por ejemplo, microscopia de fuerzas atómicas. Aunque existen metodologías para evaluar propiedades mecánicas que utilizan conceptos semejantes a los propuestos en esta invención, estos procedimientos difieren de la presente invención en que sólo son aplicables para: (i) ensayos de indentación esférica (U.S. Pat. No. 5,490,416, Adler; Alcalá et al., J. Mater. Res. (1998)) y (ii) materiales relativamente blandos cuya respuesta al contacto se denomina "totalmente plástica" según refieren M. Mata et al., J. Mater. Res. (2002) y J. Alcalá et al., Acta Mater. (2000)).This invention consists of a precise method for the evaluation of the values of the \ sigma_ {ys} yn of materials from (i) conventional hardness measurements, and (ii) of the deformation that is generated around the indentation fingerprint ( see Fig. 9). The invention relates exclusively to pointy indentation tests, carried out with conical or pyramidal indenters Vickers and Berkovich. A novel aspect of the method is that, so far, existing methodologies to infer \ sigma_ {ys} and starting from indentation techniques required the measurement of the P-h_ {s} curve of the material (US Pat. No. 6,134,954, Suresh et al .; Alcalá et al., J. Mater. Res. (1998); YT. Cheng and CM. Cheng, J. Appl. Phys. (1998); M. Dao et al., Acta Mater. (2001)) . In the preferred embodiment of the invention, knowledge of the P-h s curve is replaced by an evaluation of the deformation around the imprint, which can be obtained independently of the P-h s curves using, for example, microscopy of atomic forces. Although there are methodologies for evaluating mechanical properties that use concepts similar to those proposed in this invention, these procedures differ from the present invention in that they are only applicable for: (i) spherical indentation tests (US Pat. No. 5,490,416, Adler; Alcalá et al., J. Mater. Res. (1998)) and (ii) relatively soft materials whose response to contact is called "completely plastic" as reported by M. Mata et al., J. Mater. Res. (2002) and J. Alcalá et al., Acta Mater. (2000)) .

Descripción detalladaDetailed description

La dureza (H) del material se calcula como el cociente entre la carga máxima aplicada por el indentador (P_{max}) y el área (A_{max}) de la huella o impronta remanente en el material indentado:The hardness (H) of the material is calculated as the quotient between the maximum load applied by the indenter (P_ {max}) and the area (A_ {max}) of the remaining imprint or imprint in the indented material:

(1)H = \frac{P_{max}}{A_{max}}(1) H = \ frac {P_ {max}} {A_ {max}}

La deformación superficial alrededor del indentador puede ser de dos tipos. En primer lugar, se considera que el material indentado puede sufrir apilamiento en la periferia del contacto, por lo que el área real de la huella es mayor que aquella estimada a partir de la forma (geometría) del indentador. En segundo lugar, puede desarrollarse hundimiento del material en la periferia del contacto, por lo que el área real de la huella es menor que aquella calculada a partir de la forma (geometría) del indentador. La magnitud de la deformación superficial se calcula a partir del parámetro \sqrt{\alpha}, que es un cociente entre profundidades de penetración. Para ello es necesario definir la distancia vertical entre la punta del indentador y la altura en donde se sitúa el área de contacto (h), al igual que la distancia vertical entre la punta del indentador y la superficie original del material indentado (h_{s}). Se tiene entonces queThe surface deformation around the Indenter can be of two types. First, it is considered that the indented material may suffer stacking in the periphery of the contact, so the actual area of the footprint is larger than that estimated from the shape (geometry) of the indenter. Second, subsidence of the material can develop in the periphery of the contact, so the real area of the footprint is less than that calculated from the shape (geometry) of the indenter The magnitude of the surface deformation is calculated at from the \ sqrt {\ alpha} parameter, which is a quotient between penetration depths For this it is necessary to define the vertical distance between the tip of the indenter and the height in where the contact area (h) is located, as well as the distance vertical between the tip of the indenter and the original surface of the indented material (h_ {s}). You have then that

(2)\sqrt{\alpha} = \frac{h}{h_{s}}(2) \ sqrt {\ alpha} = \ frac {h} {h_ {s}}

En la realización preferente del procedimiento, los ensayos de indentación se efectúan en un rango de cargas en el que la dureza (H) permanece constante. Es decir, en un rango de cargas de magnitud suficiente como para que en el cociente entre P_{max} y A_{max} sea independiente de la carga P_{max} utilizada para inducir la huella de área A_{max}. Igualmente, se considera que la curva P-h_{s} durante la etapa de carga sigue una relación parabólica (ley de Kick), con lo que se tiene que:In the preferred embodiment of the procedure, indentation tests are carried out in a range of loads in the that the hardness (H) remains constant. That is, in a range of loads of sufficient magnitude so that in the quotient between P_ {max} and A_ {max} be independent of the load P_ {max} used to induce the area footprint A_ {max}. Likewise, it consider that the P-h_ {s} curve during the stage of cargo follows a parabolic relationship (Kick's law), with which have to:

(3)P = Kh_{s}^{2}(3) P = Kh_ {s} 2

Una característica de la curva tensión (\sigma) - deformación uniaxial (\varepsilon) que se desea inferir mediante los ensayos de indentación es el valor de la tensión uniaxial a una deformación total del 10%. Esta tensión mecánica, \sigma_{r}, se denomina tensión representativa y se calcula a partir del módulo de Young (E) del material indentado y la dureza (H) resolviendo la siguiente ecuación:A characteristic of the tension curve (\ sigma) - uniaxial deformation (ε) to be inferred through the indentation tests is the tension value uniaxial to a total deformation of 10%. This mechanical tension, \ sigma_ {r}, is called representative tension and is calculated at from Young's (E) module of indented material and hardness (H) solving the following equation:

(4)\frac{H}{\sigma_{r}} = -\text{0.0023} \left( 1n \left( \frac{E}{\sigma_{r}} \right) \right)^{4} + \text{0.0647} \left( 1n \left( \frac{E}{\sigma_{r}} \right) \right)^{3} -\text{0.6817} \left( 1n \left( \frac{E}{\sigma_{r}} \right) \right)^{2} +\text{3.1968} \left( 1n \left( \frac{E}{\sigma_{r}} \right) \right) -\text{2.9261}(4) \ frac {H} {\ sigma_ {r}} = - \ text {0.0023} \ left (1n \ left (\ frac {E} {\ sigma_ {r}} \ right) \ right) ^ {4} + \ text {0.0647} \ left (1n \ left (\ frac {E} {\ sigma_ {r}} \ right) \ right) ^ {3} - \ text {0.6817} \ left (1n \ left ( \ frac {E} {\ sigma_ {r}} \ right) \ right) ^ {2} + \ text {3.1968} \ left (1n \ left (\ frac {E} {\ sigma_ {r}} \ right) \ right) - \ text {2.9261}

A partir del valor de la tensión representativa (\sigma_{r}), se obtiene entonces el coeficiente de endurecimiento por deformación uniaxial (n) resolviendo la ecuación:From the value of the representative voltage (\ sigma_ {r}), the coefficient of hardening by uniaxial deformation (n) resolving the equation:

(5)\sqrt{\alpha} = A + B \ exp \left\{ - \frac{\sigma _{r}/E}{D} \right\}(5) \ sqrt {\ alpha} = A + B \ exp \ left \ {- \ frac {\ sigma _ {r} / E} {D} \ right \}

dondewhere

A = 8.7760 n^{3} - 6.7180 n^{2} + 1.0478 n + 0.8148A = 8.7760 n3 - 6.7180 n2 + 1.0478 n + 0.8148

B = -7.7892 n^{3} + 6.8690 n^{2} - 2.0273 n + 0.4790B = -7.7892 n 3 + 6.8690 n 2 - 2.0273 n + 0.4790

D = -0.35359 n^{3} + 0.40038 n^{2} - 0.05926 n + 0.01426D = -0.35359 n 3 + 0.40038 n 2 - 0.05926 n + 0.01426

Finalmente, usando \sigma_{r}, n y E, se calcula la tensión de fluencia \sigma_{ys} del material mediante la expresión:Finally, using \ sigma_ {r}, n and E, you calculate the creep stress \ sigma_ {ys} of the material through the expression:

(6)\sigma_{ys} = \left( \frac{ \sigma_{r}}{E^{n}(0.1)^{n}} \right)^{\tfrac{1}{1-n}}(6) \ sigma_ {ys} = \ left (\ frac {\ sigma_ {r}} {E ^ {n} (0.1) ^ {n}} \ right) ^ {\ tfrac {1} {1-n}}

En la aplicación preferente del procedimiento, se asume que la curva \sigma - \varepsilon puede aproximarse según:In the preferred application of the procedure, assume that the \ sigma - \ varepsilon curve can approximate according:

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Descripción de los dibujosDescription of the drawings

Esta memoria se acompaña de esquemas y resultados que facilitan la comprensión de la nomenclatura empleada y las propiedades mecánicas uniaxiales inferidas.This report is accompanied by schemes and results. that facilitate the understanding of the nomenclature used and the inferred uniaxial mechanical properties.

En los dibujos, la Fig. 1 representa la curva de tensión (\sigma) - deformación uniaxial (\varepsilon) en la que se indican las propiedades \sigma_{ys}, n y el módulo de Young E. La Fig. 2 muestra las geometrías de los indentadores cónico, Vickers y Berkovich empleados en la realización preferida de la invención. La Fig. 3 esquematiza una huella bajo la acción de la carga aplicada, en donde se definen las variables h y h_{s} en materiales en los que ocurre apilamiento ((1)) y hundimiento ((2)). Las Figs. 4 y 5 muestran topografías y curvas de nivel típicas de huellas (1) en Fig. 4 indica apilamiento y (2) en Fig. 5 representa hundimiento). En las Figs. 4 y 5 se indica también los contornos o curvas de nivel cero (7) (a partir de los que se evalúa el apilamiento o hundimiento). Las Figs. 6 y 7 muestran la proyección del apilamiento (Fig. 6) y hundimiento (Fig. 7) en los lados de la arista (definida según coordenada x en la Fig. 4). El eje x se define de forma tal que coincida con la curva de nivel cero (Fig. 4). La figura 8 presenta una curva P-h_{s} obtenida para un material de dureza H = 0.6 GPa mediante un ensayo de indentación puntiaguda. En la Fig. 8 se indican con flechas las etapas de carga y descarga del ensayo al igual que el punto de carga máxima (P_{max}). La Fig. 9 muestra el algoritmo para la aplicación del procedimiento desarrollado en la invención ((4), (5), (6)). Finalmente, la Fig. 10 presenta una impronta Vickers en una aleación de aluminio 6061-T6. El área definida por la impronta ((3)) se refiere como A_{max} en la patente.In the drawings, Fig. 1 represents the curve of stress (sig) - uniaxial deformation (ε) in which the properties \ sigma_ {ys}, n and Young's module are indicated E. Fig. 2 shows the geometries of the conical indenters, Vickers and Berkovich employed in the preferred embodiment of the invention. Fig. 3 schematizes a footprint under the action of the applied load, where the variables h and h_ {s} are defined in materials in which stacking ((1)) and sinking ((2)) occurs. Figs. 4 and 5 show topographies and typical contours of fingerprints (1) in Fig. 4 indicates stacking and (2) in Fig. 5 represents sinking). In Figs. 4 and 5 the contours or zero level curves (7) (from which the stacking or sinking). Figs. 6 and 7 show the projection of stacking (Fig. 6) and sinking (Fig. 7) on the sides of the edge (defined according to coordinate x in Fig. 4). The x axis is defined so that it coincides with the zero level curve (Fig. 4). Figure 8 shows a P-h_ {s} curve obtained for a hardness material H = 0.6 GPa by means of a test of pointed indentation. In Fig. 8 the arrows are indicated with loading and unloading stages of the test as well as the point of maximum load (P_ {max}). Fig. 9 shows the algorithm for application of the method developed in the invention ((4), (5), (6)). Finally, Fig. 10 presents a Vickers imprint on a 6061-T6 aluminum alloy. The defined area by imprint ((3)) it is referred to as A max in the patent.

Manera de realizar la invenciónWay of carrying out the invention

La manera preferida de realizar la invención consiste en poner en contacto un indentador puntiagudo (que indistintamente puede ser cónico, Vickers, o Berkovich) con una superficie plana de material. El indentador es preferiblemente de diamante o de otro material al menos 2 veces más rígido que la superficie plana a indentar. El indentador aplica una carga incremental sobre la superficie que induce una deformación irreversible (plástica) del material indentado ((3) Fig. 10). Una vez aplicada la carga máxima, ya sea en el rango de nano-indentación, microindentación o macro-indentación, el indentador se retira descargándose gradualmente.The preferred way of carrying out the invention it consists of contacting a pointed indenter (which interchangeably it can be conical, Vickers, or Berkovich) with a flat surface of material. The indenter is preferably of diamond or other material at least 2 times stiffer than the flat surface to indent. The indenter applies a load incremental on the surface that induces deformation irreversible (plastic) of the indented material ((3) Fig. 10). A once the maximum load has been applied, either in the range of nano-indentation, microindentation or macro-indentation, the indenter withdraws downloading gradually.

Se obtiene, a continuación, una caracterización topográfica de la huella o impronta remanente (Figs. 4 y 5). Sin menosprecio a otras técnicas, esta caracterización puede realizarse utilizando un microscopio de fuerzas atómicas (N.X. Randall, Phil. Mag. A Vol. 82, p. 1883 (2002)) o a partir de barridos sucesivos obtenidos con un perfilómetro de contacto (J. Alcalá et al., Acta Mater. Vol 48, p.3451 (2000)). Esta caracterización demuestra que los materiales pueden sufrir apilamiento ((1) Fig. 4 y Fig. 6) o hundimiento ((2) Fig. 5 y 7). Se mide entonces el valor de A_{max} de la impronta ((3) Fig. 10) y se calcula la dureza H según la ecuación (1).A topographic characterization of the remaining imprint or imprint is then obtained (Figs. 4 and 5). Without neglecting other techniques, this characterization can be performed using an atomic force microscope ( NX Randall, Phil. Mag. A Vol. 82, p. 1883 (2002) ) or from successive sweeps obtained with a contact profilometer ( J. Alcalá et al., Acta Mater. Vol 48, p.3451 (2000) ). This characterization demonstrates that the materials can suffer stacking ((1) Fig. 4 and Fig. 6) or sinking ((2) Fig. 5 and 7). The Amax value of the imprint ((3) Fig. 10) is then measured and the hardness H is calculated according to equation (1).

Se procede a estimar el valor de \sqrt{\alpha} bajo la carga máxima aplicada por el indentador. Para indentadores Vickers y Berkovich, se proyecta la deformación superficial (remanente después de la descarga) sobre los lados de la impronta tal como se ilustra en las Figs. 6 y 7. Se calcula entonces el valor medio del desplazamiento vertical del material alrededor de los lados de la impronta, h_{med}, mediante algún procedimiento numérico de integración del apilamiento ((1)) o hundimiento ((2)) en los 5 lados de la impronta (ver Figs. 6 y 7). En ensayos de indentación cónica, la deformación superficial es constante alrededor de la huella por lo que no es necesario aplicar el procedimiento de integración.The value of \ sqrt {\ alpha} is estimated under the maximum load applied by the indenter. For indenters Vickers and Berkovich, surface deformation is projected (remaining after discharge) on the sides of the imprint as illustrated in Figs. 6 and 7. The average value of the vertical displacement of the material around the sides of the imprint, h_ {med}, by some procedure numerical integration of stacking ((1)) or sinking ((2)) on the 5 sides of the imprint (see Figs. 6 and 7). In trials of conical indentation, surface deformation is constant around the footprint so it is not necessary to apply the integration procedure

A partir del valor de h_{med} se obtiene a continuación la cantidad de apilamiento o hundimiento que existe bajo la carga máxima aplicada por el indentador. Para ello, se calcula primero la magnitud \Deltah_{med} que cuantifica la recuperación vertical de la superficie indentada. Este fenómeno de recuperación ocurre durante la descarga del indentador. La variable \Deltah_{med} se calcula como:From the value of h_ {med} you get to then the amount of stacking or sinking that exists under the maximum load applied by the indenter. To do this, it first calculate the magnitude \ Deltah_ {med} that quantifies the vertical recovery of the indented surface. This phenomenon of Recovery occurs during the discharge of the indenter. The variable \ Deltah_ {med} is calculated as:

(8)\Deltah_{med} = \frac{P_{max}(1-\nu^{2})}{c\sqrt{A_{max}}E}(8) \ Deltah_ {med} = \ frac {P_ {max} (1- \ nu2 {}}} {c \ sqrt {A_ {max}} E}

donde E y \nu son, respectivamente, el módulo de Young y coeficiente de Poisson del material indentado; P_{max} la carga máxima aplicada por el indentador durante el ensayo; A_{max} el área de la huella remanente, (3) Fig. 10; y c es una constante cuyo valor es de 1.142 para el indentador Vickers, 1.167 para el Berkovich y 1.128 para un cono en cuya punta está inscrito un ángulo de 70.3°.where E and \ nu are, respectively, Young's modulus and Poisson coefficient of indented material; P_ {max} the maximum load applied by the indenter during the test; A_ {max} the footprint area remnant, (3) Fig. 10; and c is a constant whose value is 1,142 for the indenter Vickers, 1,167 for the Berkovich and 1,128 for a cone on whose tip an angle of 70.3 °.

Con los valores de h_{med}, \Deltah_{med} y la profundidad máxima de la huella (h_{m}) medida desde el contorno o nivel de altura cero, se calcula \sqrt{\alpha} mediante:With the values of h_ {med}, \ Deltah_ {med} and the maximum depth of the footprint (h_ {m}) measured from the contour or zero height level, \ sqrt {\ alpha} is calculated through:

(9)\sqrt{ \alpha} = \frac{(h_{m} + h_{med})}{(h_{m} + \Delta h_{med})}(9) \ sqrt { \ alpha} = \ frac {(h_ {m} + h_ {med})} {(h_ {m} + \ Delta h_ {med})}

Una vez conocidos los valores de \sqrt{\alpha} y H, se resuelven las ecuaciones (4), (5) y (6) a fin de obtener las propiedades \sigma_{ys} y n del material indentado ((4), (5), (6) en Fig. 9).Once the values of \ sqrt {\ alpha} are known and H, equations (4), (5) and (6) are solved in order to obtain the properties \ sigma_ {ys} and n of the indented material ((4), (5), (6) in Fig. 9).

La invención puede también realizarse a partir de la curva P-h_{s} obtenida mediante un ensayo de indentación instrumentada, y del valor de H medido experimentalmente mediante la ecuación (1). Para ello, se realiza un ajuste a la ley de Kick (Ecuación (3)) de la etapa de carga de la curva P-h_{s}. Este ajuste suministra el valor de K. Para encontrar \alpha se utiliza la expresión:The invention can also be realized from the P-h s curve obtained by a test of instrumented indentation, and the value of H measured experimentally by equation (1). To do this, it is done an adjustment to the Kick's law (Equation (3)) of the loading stage of the P-h_ {s} curve. This setting supplies the value of K. To find α the expression is used:

(10)\alpha = \frac{K}{f H}(10) \ alpha = \ frac {K} {f H}

donde f vale 24.50 para indentadores Vickers o cónicos con semiángulo interno de 70.3°, y 24.56 para Berkovich.where f is worth 24.50 for Vickers or conical indenters with 70.3 ° internal half angle, and 24.56 for Berkovich

Dentro del margen del error experimental propio de las técnicas empleadas, el valor de \sqrt{\alpha} obtenido mediante las curvas P-h_{s} y la dureza H es coincidente con aquel calculado a partir de la ecuación (9). Finalmente, tal como se plantea en la realización preferente de la invención (4, 5, 6 en Fig. 9), se resuelven las ecuaciones (4), (5) y (6) con los valores de \sqrt{\alpha} y H a fin de extraer las propiedades \sigma_{ys} y n del material indentado.Within the margin of the experimental error itself of the techniques used, the value of \ sqrt {\ alpha} obtained using curves P-h_ {s} and hardness H is coincident with that calculated from equation (9). Finally, as stated in the preferred embodiment of the invention (4, 5, 6 in Fig. 9), equations (4), (5) are solved and (6) with the values of \ sqrt {\ alpha} and H in order to extract the properties \ sigma_ {ys} and n of the indented material.

A continuación se ejemplifica la realización de la invención. El ejemplo hace referencia a una aleación de aluminio 6061-T6 cuyos valores de E, \sigma_{ys} y n obtenidos a partir del ensayo uniaxial convencional son, respectivamente, 70 GPa, 300 MPa y 0.079. La realización de la invención mediante un ensayo de indentación Vickers hasta una carga máxima de 100 Newtons proporciona una huella con h_{med} = 8.26 \mum. La dureza H es de 1.20 GPa (ecuación (1)). El valor estimado de \Deltah_{med} a partir de la ecuación (8) es 3.94 \mum, con lo que las propiedades \sigma_{ys} y n obtenidas mediante las ecuaciones (4), (5) y (6) son, respectivamente, 377 MPa y 0.059. Estas propiedades mecánicas se aproximan a las obtenidas directamente del ensayo uniaxial convencional. El valor de K encontrado a partir de la curva P-h_{s} es de 34 GPa (ecuación (3)), en buen acuerdo con la relación entre H, \sqrt{\alpha} y K prescrita por la ecuación (10). Este acuerdo garantiza la realización alternativa de la invención.The embodiment of the invention. The example refers to an aluminum alloy 6061-T6 whose values of E, \ sigma_ {ys} and n obtained from the conventional uniaxial test are, respectively, 70 GPa, 300 MPa and 0.079. The realization of the invention by a Vickers indentation test up to a load 100 Newtons maximum provides a footprint with h_ {med} = 8.26 \ mum. Hardness H is 1.20 GPa (equation (1)). The estimated value of \ Deltah_ {med} from equation (8) is 3.94 \ mum, with what the properties \ sigma_ {ys} and n obtained by means of Equations (4), (5) and (6) are, respectively, 377 MPa and 0.059. These mechanical properties approximate those obtained directly from the conventional uniaxial test. The value of K found from the P-h_ {s} curve is 34 GPa (equation (3)), in good agreement with the relationship between H, \ sqrt {\ alpha} and K prescribed by equation (10). This agreement guarantees the alternative embodiment of the invention.

Claims (6)

1. Un método para medir la tensión o límite de fluencia, \sigma_{ys}, y coeficiente de endurecimiento por deformación, n, de un material a partir de un ensayo de indentación realizado con un penetrador puntiagudo. El método conlleva la realización de al menos el último de los siguientes pasos:1. A method to measure the voltage or limit of creep, \ sigma_ {ys}, and hardening coefficient by deformation, n, of a material from an indentation test made with a pointed penetrator. The method entails the performing at least the last of the following steps:
a)to)
medir el área de la impronta inducida por el indentador en el material;to size the area of the imprint induced by the indenter in the material;
b)b)
cálculo de H mediante la ecuación:calculation of H by equation:
H = \frac{P_{max}}{A_{max}} H = \ frac {P_ {max}} {A_ {max}}
donde A_{max} es el área de la impronta y P_{max} la carga máxima aplicada por el penetrador;where A_ {max} is the area of the imprint and P_ {max} the maximum load applied by the penetrator;
c)C)
medir la cantidad de deformación superficial alrededor de la impronta según el parámetro \alpha;to size the amount of surface deformation around the imprint according to the parameter α;
d)d)
calcular los parámetros \sigma_{ys} y n a partir de las ecuaciones:calculate the parameters \ sigma_ {ys} and n from the equations:
\frac{H}{ \sigma_{r}} = \text{-0.0023} \left( 1n \left( \frac{E}{ \sigma_{r}} \right) \right)^{4} + \text{0.0647} \left( 1n \left( \frac{E}{ \sigma_{r}} \right) \right)^{3} -\text{0.6817} \left( 1n \left( \frac{E}{ \sigma_{r}} \right) \right)^{2} +\text{3.1968} \left( 1n \left( \frac{E}{ \sigma_{r}} \right) \right) -\text{2.9261}\ frac {H} { \ sigma_ {r}} = \ text {-0.0023} \ left (1n \ left (\ frac {E} {\ sigma_ {r}} \ right) \ right) ^ {4} + \ text {0.0647} \ left (1n \ left (\ frac {E} { \ sigma_ {r}} \ right) \ right) ^ {3} - \ text {0.6817} \ left (1n \ left ( \ frac {E} {\ sigma_ {r}} \ right) \ right) ^ {2} + \ text {3.1968} \ left (1n \ left (\ frac {E} {\ sigma_ {r}} \ right) \ right) - \ text {2.9261} yY \sqrt{\alpha} = A + B \ exp \left\{ - \frac{\sigma_{r}/E}{D} \right\}\ sqrt {\ alpha} = A + B \ exp \ left \ {- \ frac {\ sigma_ {r} / E} {D} \ right \} dondewhere A = 8.7760 n^{3} - 6.7180 n^{2} + 1.0478 n + 0.8148A = 8.7760 n3 - 6.7180 n2 + 1.0478 n + 0.8148 B = -7.7892 n^{3} + 6.8690 n^{2} - 2.0273 n + 0.4790B = -7.7892 n 3 + 6.8690 n 2 - 2.0273 n + 0.4790 D = -0.35359 n^{3} + 0.40038 n^{2} - 0.05926 n + 0.01426D = -0.35359 n 3 + 0.40038 n 2 - 0.05926 n + 0.01426
2. El método propuesto en la reivindicación 1 en el que el penetrador puntiagudo es una pirámide tipo Vickers.2. The method proposed in claim 1 in the one that the pointed penetrator is a Vickers pyramid. 3. El método propuesto en la reivindicación 1 en el que el penetrador puntiagudo es una pirámide tipo Berkovich.3. The method proposed in claim 1 in the one that the pointed penetrator is a Berkovich type pyramid. 4. Un método para medir la tensión o límite de fluencia, \sigma_{ys}, y coeficiente de endurecimiento por deformación, n, de un material a partir de un ensayo de indentación realizado con un penetrador puntiagudo. El método conlleva la realización de al menos el último de los siguientes pasos:4. A method to measure the voltage or limit of creep, \ sigma_ {ys}, and hardening coefficient by deformation, n, of a material from an indentation test made with a pointed penetrator. The method entails the performing at least the last of the following steps:
a)to)
obtención del parámetro K mediante ajuste de la curva carga (P) - profundidad de penetración (h_{s}) a la siguiente expresión:obtaining parameter K by load curve adjustment (P) - penetration depth (h_ {s}) to the following expression:
P = Kh_{s}^{2} ;P = Kh_ {s} 2 ;
b)b)
cálculo de H mediante la ecuación:calculation of H by equation:
H = \frac{P_{max}}{A_{max}}H = \ frac {P_ {max}} {A_ {max}}
donde A_{max} es el área de la impronta y P_{max} la carga aplicada por el penetrador;where A_ {max} is the area of the imprint and P_ {max} the load applied by the penetrator
c)C)
cálculo de \alpha usando la ecuación:α calculation using the equation:
\alpha = \frac{K}{f H}α = \ frac {K} {f H}
donde f vale 24.50 para indentadores Vickers o cónicos con semiángulo interno de 70.3°, y 24.56 para Berkovich;where f is worth 24.50 for Vickers or conical indenters with internal half angle of 70.3 °, and 24.56 for Berkovich;
d)d)
cálculo de los parámetros \sigma_{ys} y n a partir de las ecuaciones:parameter calculation \ sigma_ {ys} and n from the equations:
\frac{H}{\sigma_{r}} = -\text{0.0023} \left( 1n \left( \frac{E}{\sigma_{r}} \right) \right)^{4} + \text{0.0647} \left( 1n \left( \frac{E}{\sigma_{r}} \right) \right)^{3} -\text{0.6817} \left( 1n \left( \frac{E}{\sigma_{r}} \right) \right)^{2} +\text{3.1968} \left( 1n \left( \frac{E}{\sigma_{r}} \right) \right) -\text{2.9261}\ frac {H} {\ sigma_ {r}} = - \ text {0.0023} \ left (1n \ left (\ frac {E} {\ sigma_ {r}} \ right) \ right) ^ {4} + \ text {0.0647} \ left (1n \ left (\ frac {E} {\ sigma_ {r}} \ right) \ right) ^ {3} - \ text {0.6817} \ left (1n \ left ( \ frac {E} {\ sigma_ {r}} \ right) \ right) ^ {2} + \ text {3.1968} \ left (1n \ left (\ frac {E} {\ sigma_ {r}} \ right) \ right) - \ text {2.9261} yY \sqrt{ \alpha} = A + B \ exp \left\{ - \frac{ \sigma_{r}/E}{D} \right\}\ sqrt {\ alpha} = A + B \ exp \ left \ {- \ frac {\ sigma_ {r} / E} {D} \ right \} dondewhere A = 8.7760 n^{3} - 6.7180 n^{2} + 1.0478 n + 0.8148A = 8.7760 n3 - 6.7180 n2 + 1.0478 n + 0.8148 B = - 7.7892 n^{3} + 6.8690 n^{2} - 2.0273 n + 0.4790B = - 7.7892 n3 + 6.8690 n2 - 2.0273 n + 0.4790 D = - 0.35359 n^{3} + 0.40038 n^{2} - 0.05926 n + 0.01426D = - 0.35359 n3 + 0.40038 n2 - 0.05926 n + 0.01426
5. El método propuesto en la reivindicación 4 en el que el penetrador puntiagudo es una pirámide tipo Vickers.5. The method proposed in claim 4 in the one that the pointed penetrator is a Vickers pyramid. 6. El método propuesto en la reivindicación 4 en el que el penetrador puntiagudo es una pirámide tipo Berkovich.6. The method proposed in claim 4 in the one that the pointed penetrator is a Berkovich type pyramid.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2002073162A2 (en) * 2001-03-07 2002-09-19 Massachusetts Institute Of Technology Systems and methods for estimation and analysis of mechanical property data

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M. DAO et al. "Computational Modeling of the Forward and Reverse Problems in Instrumented Sharp indentation" En: Acta Materialia, 49 Publicado por Elsevier Science Ltd., 2001, paginas 3899-3918. *
M. DAO et al. "Computational Modeling of the Forward and Reverse Problems in Instrumented Sharp indentation" En: Acta Materialia, 49 Publicado por Elsevier Science Ltd., 2001, páginas 3899-3918. *

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