Indentation instrumentée multi-échelles appliquée à l’étude des matériaux massifs métalliques

Instrumented multiscale indentation applied to the study of bulk metallic materials

¹ Université de Lille, FRE 3723 - LML - Laboratoire de Mécanique de Lille, 59000 Lille, France
² Arts et Métiers ParisTech, MSMP, 59800 Lille, France

^a Auteur de correspondance : stephaniakossman@gmail.com

Reçu : 18 Novembre 2016
Accepté : 6 Février 2017

Résumé

L’essai d’indentation instrumentée est une technique très utilisée car elle permet d’estimer les propriétés mécaniques des matériaux comme la dureté et le module de Young. Cette étude sur l’indentation multi-échelles (de 5 mN à 2 kN) a été réalisée sur des matériaux métalliques massifs (acier, acier inoxydable et aluminium) avec trois instruments : nano, micro et macro indenteurs, et différents types d’essais : classique, CSM et multicyclique. Nous avons constaté que, pour estimer les propriétés mécaniques, il est nécessaire de prendre en compte la correction du défaut de pointe et aussi de la complaisance du bâti quelle que soit l’échelle de mesure, et donc quelle que soit la conception de l’instrument pour la mesure du déplacement. Dans ces conditions, en considérant ces corrections, le module de Young reste quasi constant dans tout le domaine de force étudié (<12 %), et est donc à ce titre une propriété intrinsèque. Par contre, la dureté décroit lorsque la charge augmente, ce qui est classiquement attribué à l’effet de taille en indentation, mais qui peut aussi être imputé au mode de déformation autour de l’empreinte, au bourrelet prédominant (pile-up) pour les échantillons en acier et aluminium, et à la déflection des faces (sink-in) pour l’acier inoxydable.

Abstract

The instrumented indentation test (ITT) is a largely used technique, because it allows to estimate the mechanical properties of materials, as hardness and Young’s modulus. This study about multi-scale ITT (from 5 mN to 2 kN) was performed on bulk metallic materials (steel, stainless steel and aluminum) using three instruments: nano, micro and macro indenter, and different kinds of test: standard, CSM and multicycle. We have found that for the estimation of the mechanical properties, it is necessary to consider the correction of the frame compliance and tip defect, for all the scales of measurement and instruments. In these conditions, considering these corrections, the Young’s modulus is almost constant among all the range of studied loads (<12%), being an intrinsic property. On the contrary, the hardness decreases while increasing the load, which is typically attributed to the indentation size effect, but also it can be related to the deformation around the imprint, pile-up for the samples of steel and aluminum, and sink-in for the stainless steel.