Étude de la formation du bourrelet autour des empreintes de nanoindentation

Investigation of the pile-up effect during nanoindentation

Institut National des Sciences Appliquées de Strasbourg, LGECO – LISS, 24 boulevard de la Victoire, 67000 Strasbourg, France

Reçu : 16 Mars 2005
Accepté : 30 Septembre 2005

Résumé

Deux problèmes sont souvent associés à la technique de nanoindentation : (i) la définition de la géométrie de la pointe et (ii) le calcul de la profondeur de contact h_c réelle entre la pointe et la surface du matériau. Le premier problème a fait l’objet de nombreux travaux, tandis que la formation d’un éventuel bourrelet a souvent été observée dans le cas d’indentation d’une surface métallique par une pointe diamant de forme tétraédrique. Dans ce travail, après une étude bibliographique sur la formation du bourrelet autour des empreintes d’indentation, nous présentons tout d’abord les résultats des travaux expérimentaux effectués sur plusieurs surfaces métalliques (Al, Cu, Fe, Ni, Zn) en nanoindentation à profondeur imposée avec 50 ≤    h_T ≤    1000 nm. Les courbes charge–déplacement sont analysées à l’aide de différents modèles de la littérature. Des mesures AFM permettent d’observer la topographie des empreintes résiduelles des indentations réalisées sur les surfaces métalliques. Dans un second temps, nous présentons les résultats des simulations numériques du test d’indentation par la méthode des éléments finis. Nous montrons l’influence de la loi de comportement et en particulier de l’aptitude du matériau à s’écrouir, mais aussi de la présence du défaut de pointe. En effet, les observations AFM montrent que le bourrelet est sensible à la charge appliquée (effet de taille et défaut de pointe) ainsi qu’à la vitesse de déformation.

Abstract

Major problems are often related to depth-sensing instruments: the tip definition and the estimation of the real contact depth between the indenter and the material surface. Many studies have been reported about the first problem, while the piling-up phenomenon has been only observed in the case of nanoindentation tests performed into metallic surfaces using a Berkovich indenter. In this work, after a bibliographic background about the piling-up phenomenon arround residual indentation imprint, we present first experimental results performed on several metallic surfaces (Al, Cu, Fe, Ni, Zn). The nanoindentation tests have been performed at constant indentation depth varying between 50 nm and 1 µm. The experimental load-displacement curves are analyzed using various models found in literature. Experimental AFM measurements allow the observation of the different using residual imprints. Results obtained with finite element modeling are then presented. We show the influence of the constitutive law, and more particularly the influence of the strain hardening, but also of the tip defect. AFM measurements demonstrate that pile-up seems to be sensitive to the applied load and the loading rate.