Dureza em filmes finos

Introdução

A definição de dureza

O valor de dureza (H) pode ser entendido como a pressão que o penetrador exerce sobre a área da amostra.

O valor de Ac (área de contato) é calculada automaticamente para ensaios de nano indentação.

Tipos de penetrador

• O Penetrador Vickers:– O penetrador Vickers utiliza um penetrador piramidal de

diamante com base quadrangular com um ângulo de aproximadamente 136º.

• O Penetrador Berkovich– Penetrador piramidal de diamante com base triangular com

ângulo de aproximadamente xxxx

Ensaio de dureza instrumentada (nano dureza)

• Equipamento

• Faixa de cargas– Pode aplicar cargas de 0,01mN até 1000mN (Verificar)

• Aplicações do ensaio de nano dureza– Obtenção de propriedades como dureza e módulo de

elasticidades de filmes finos, precipitados e fases em microestruturas.

• Tipos de penetrador: Vickers ou Berkovich

Esquema do funcionamento de um nano durômetro

O ensaio de nano dureza consiste nas seguintes etapas:

1) Aplicação de uma carga que varia de 0 a Pmax a uma taxa definida.

2) Manutenção da carga máxima por um tempo determinado (Chamado de fluência ou Creep).

3) Descarga de Pmax a Pmin a uma taxa determinada.

4) Manutenção da carga por determinado tempo na Pmin

5) Desgarga total.

Curva típica obtida em um ensaio de nano dureza.

Curva obtida no ensaio

Esquema da indentação nas etapas do ensaio:

Requisitos do ensaio de nano indentação

1) O equipamento deve estar em superfície perfeitamente plana e de preferência sobre uma mesa com amortecedores.

2) A amostra deve estar com a superfície perfeitamente plana, polida e com as duas faces paralelas.

3) Para cargas muito baixas, pequenas vibrações no local do ensaio podem prejudicar ou até mesmo invalidar o ensaio.

4) Determinação de uma função que determine a área de contato projetada em função da profundidade de contato

Ensaio realizado sem uma mesa anti-vibração.Carga: 200mN

Ensaio realizado com uma mesa anti-vibração.Carga: 50mN

Formato do penetrador de diamante

Limitações tecnológicas impedem que o formato do penetrador de diamante seja perfeitamente piramidal. O arredondamento na ponta do penetrador prejudica o cálculo da área projetada.

Conceito de função de área

• A função de área é uma equação empírica que descreve a área de contato projetada em função da profundidade de contato medida pelo equipamento. Desta forma, elimina-se a necessidade de medição de diagonais, o que pode ser até impossível dependendo da carga aplicada.

• Exemplo de função de área obtida empiricamente:

𝐴 (h𝑐 )=24,5∗h𝑐2+7250∗h𝑐+2900∗h𝑐12+2600∗h𝑐

14+3625∗h𝑐

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Determinação do módulo de elasticidade

• O módulo de elasticidade pode ser determinado a partir da curva de descarregamento obtida no ensaio de nano dureza.

• Em 1992, Oliver e Pharr aprimoraram uma metodologia proposta anteriormente por Doerner e Nix para a obtenção de dureza e de módulo de elasticidade em equipamentos de nano indentação.

• Oliver e Pharr consideraram que a curva de descarregamento pode ser descrita por uma equação potencial do tipo:

• Através dos dados obtidos no ensaio de dureza, é possível determinar os coeficientes desta equação e calcular a rigidez da amostra sob carregamento máximo.

Com isso, utilizando a equação de Hertz, é possível calcular o módulo de elasticidade do material.

Onde Ei e vi são, respectivamente, os módulos de elasticidade e de Poisson do indentador.

A rigidez da amostra é definida como sendo:

De posse do valor de S, pode-se obter o módulo de elasticidade reduzido coma equação:

Alguns valores de dureza e EEnsaios realizados em Aço (padrão do equipamento).Dureza = 703HV (fonte: manual do fabricante)Módulo de elasticidade: = 207GPa