Modélisation du facteur de correction beta en indentation instrumentée.

par Jaime GARCíA GUZMáN

Thèse de doctorat en Sciences - STS

Sous la direction de Boussad Abbes et de Fazilay Abbes.

Thèses en préparation à Reims en cotutelle avec l'Universidad Pontificia Bolivariana , dans le cadre de Ecole doctorale Sciences du Numérique et de l’Ingénieur (Reims, Marne) , en partenariat avec GRESPI - Groupe de Recherche En Sciences Pour l'Ingénieur (laboratoire) .


  • Résumé

    Avec l'avènement des NEMS, MEMS, films minces et autres revêtements, la caractérisation des propriétés mécaniques à une échelle locale est primordiale. A cet effet, l'essai d'indentation instrumentée permet l'acquisition continue de la réponse (courbe force – profondeur de pénétration) d'un matériau à la pénétration d'un indenteur de géométrie donnée. Le post-traitement d'une telle courbe permet la détermination de propriétés telles que le module d'indentation ou la dureté. Cette analyse est basée sur la théorie du contact élastique, qui suppose une géométrie axisymétrique parfaite de la pointe d'indentation, un comportement purement élastique du matériau, et la non-prise en compte des déplacements radiaux dans la zone de contact. En pratique, ces hypothèses sont souvent mises en défaut : les indenteurs sont généralement des pyramides à 3 pans (Berkovich, Cube Corner) ou 4 pans (Vickers, Knoop) présentant un émoussement de la pointe, et le comportement mécanique des matériaux est souvent complexe. La correction de la relation de Sneddon, utilisée dans la méthode d'Oliver et Pharr pour l'analyse des essais de nanoindentation, est donc nécessaire. Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes intéressés à la détermination de ce facteur de correction, qui n'est pas une valeur universelle ni unique comme le préconisent certains auteurs. Il dépend notamment de la pression exercée par la pointe d'indentation et du matériau sollicité. Cette étude s'est faite sur la base de la détermination de la loi de comportement d'un des matériaux standards utilisés pour la calibration de l'essai de nanoindentation, la silice fondue. Ce matériau présente un comportement mécanique spécifique : sa déformation anélastique s'effectue par un mécanisme de densification. Dans un premier temps, les paramètres de cette loi de comportement sont identifiés par une approche inverse combinant la simulation numérique 3D de l'essai d'indentation à l'optimisation de la fonction objectif au moyen d'un algorithme génétique. Le facteur de correction est ensuite déterminé pour deux géométries de pointes et à différentes valeurs du rapport adimensionnel "profondeur de pénétration/rayon de pointe". La méthodologie proposée a été appliquée à la détermination du module d'indentation d'un acier inox.

  • Titre traduit

    Modelling of the beta correction factor in instrumented indentation test.


  • Résumé

    With the advent of NEMS, MEMS, thin films and other coatings, the characterization of local mechanical properties is a challenge. For this purpose, the instrumented indentation test allows for the continuous acquisition of the response (loadpenetration depth) of the material using an indenter of given geometry. The post-processing of such a curve allows the determination of the indentation modulus or the hardness of that material. This analysis relies on the elastic contact theory, which assumes an axisymmetric and perfect indenter, a purely elastic behaviour, and no radial displacements in the contact area. In practice, those assumptions are defeated: indenters shapes are rather three-sided (Berkovich, Cube Corner) or foursided (Vickers, Knoop) pyramids, with blunted tips. Furthermore, mechanical behaviour is rather complex. The introduction of a correction factor in the Sneddon's relationship, on which is based the Oliver and Pharr method for the analysis of nanoindentation data is then necessary. Whithin the scope of this work, we aimed at determining this correction factor, which has not a unique nor a universal value, as recommended by some authors. It depends on the pressure distribution beneath the indenter and on the tested material. This study is based on the identification of the constitutive law of one of the reference specimen used for calibration of the nanoindentation test, namely fused silica. The latter exhibits a specific mechanical behaviour, its anelastic deformation being achieved by a densification mechanism. In a first step we have determined the model parameters by an inverse approach combining the 3D numerical simulation of the indentation test with the optimization of the objective function using a genetic algorithm. The correction factor is then determined for two tip geometries and at several penetration depth over tip radius adimensional ratios. The proposed methodology was applied to the determination of the indentation modulus of an inox steel.