Développement des méthodes d’analyse en indentation instrumentée

Development of methodologies of analyzing in instrumented indentation

• Auteur / Autrice : Michel Yetna N'Jock
• Direction : Didier Chicot, Jean-Marie Bienvenu Ndjaka
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique, Energétique et Matériaux
• Date : Soutenance le 20/11/2014
• Etablissement(s) : Lille 1 en cotutelle avec Université de Yaoundé I
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique de Lille (LML)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Énergie mécanique

Résistance des matériaux

Modèles mathématiques

Indentation des matériaux

Nanoindentation

Matériaux -- Propriétés mécaniques

Mots clés libres

Modèle d'Oliver et Pharr

Modèle de Loubet

Résumé

La détermination des propriétés mécaniques des matériaux est souvent réalisée par indentation instrumentée. Cette technique présente l’avantage d’être locale et de déterminer de nombreuses propriétés mécaniques. Toutefois, l’obtention de valeurs fiables nécessite à la fois la connaissance du mode de déformation autour de l’empreinte et une valeur précise de l’aire de contact entre indenteur et matériau. Dans ce travail, nous proposons de considérer le rapport entre la profondeur résiduelle et la profondeur maximale d’indentation pour connaître le mode de déformation. Il y a formation de bourrelets ou déflection des faces de l’empreinte selon que ce rapport soit supérieur ou inférieur à 0,86. Ensuite, nous calculons la dureté à partir du travail d’indentation en prenant en compte le défaut de pointe dans le calcul du volume de l’empreinte ce qui fait disparaitre l’effet de taille. Nous proposons aussi d’estimer le module d’élasticité à partir de différentes profondeurs de pénétration. En nanoindentation, le modèle d’Oliver et Pharr est souvent et, à juste titre, utilisé pour calculer l’aire de contact. Malheureusement, il nécessite le mode de mesure de la rigidité en continue, mode qui n’est pas disponible sur tous les instruments de mesure. C’est pourquoi nous proposons une nouvelle fonction d’aire qui ne nécessite que la connaissance du défaut de pointe pris comme étant la longueur de la troncature du sommet de l’indenteur. Finalement, ce travail de thèse propose une méthodologie d’analyse pour l’obtention de propriétés fiables et représentatives du comportement mécanique du matériau.

The determination of the mechanical properties of materials is often performed by instrumented indentation. This technique is local and allows determining many mechanical properties. However, obtaining reliable values requires the knowledge of the deformation mode around the indent and an exact value of the contact area between the indenter and the material.In this work, we propose to consider the ratio between the residual depth and the maximum depth to predict the deformation mode. For a ratio higher than 0.86, piling-up appears whereas sinking-in is present for lower ratios. Afterwards, we calculate the hardness from the indentation work by taking into account the tip defect in the calculation of the volume of the indent which allows eliminating the indentation size effect. We also suggest the estimation of the elastic modulus by considering only the data related to the different indentation depths. In nanoindentation, the model of Oliver and Pharr is often and rightly employed to calculate the contact area. Unfortunately, it requires the CSM mode to be validly employed, which is not available on all the indentation instruments. That is why we propose a new contact area function which only requires the knowledge of the tip defect equivalent to the length between the rounded and the ideal tips. Finally, this PhD work proposes a methodology for analyzing indentation data in order to obtain consistent and representative mechanical properties of the material.