RELATION BETWEEN HARDNESS OF (Ti, Al)N BASED MULTILAYERED COATINGS AND PERIODS OF THEIR STACKING

This study aims to model, by using a finite element method, the relationship between the hardness and the period Λ of metal/nitride multilayer coatings (Ti0.54Al0.46/Ti0.54Al0.46N)n in order to understand the increase of the hardness at the low periods [1] and then optimise the multilayer coating architecture to obtain the best mechanical properties. A 2D axisymmetric finite element model of the Berkovich nanoindentation test was developed. The coating was designed as a stacking of Ti0.54Al0.46 and Ti0.54Al0.46N nanolayers with, in the first hypothesis, equal thickness and perfect interface. The elastoplastic behaviours of the metal and nitride layers were identified by Berkovich nanoindentation experiments and inverse analysis on thick monolayer samples. The indentation curves (P-h) obtained by this model depend on the period Λ of the stacking. Simulated (P-h) curves were compared with experimental data on 2 μm thick films with different periods Λ ranging from 10 to 50 nm deposited by RF magnetron sputtering using reactive gas pulsing process (RGPP). The model forecasts are very consistent with the experience for the largest period but the model does not reproduce the hardness increase at the lowest periods. The Λ = 10 nm coating was analysed by electron energy loss spectroscopy (EELS) on a transmission electron microscope. Results show intermixing of the layers with the presence of nitrogen atoms in the metal layer over a few nanometers [1]. It was concluded that the metal/ceramic interface plays an important role at low periods. The addition in the model of a transition layer in the metal/nitride stacking, with an elastoplastic metal/ceramic medium behaviour, allows to reproduce the nanoindentation experimental curves. The thickness of this transition layer deduced from model updating method is in very good agreement with EELS observations

Caractérisation des propriétés mécaniques de vernis photopolymères par micro-indentation et simulation par éléments finis.

Afin de caractériser les propriétés mécaniques de vernis photopolymérisés d’épaisseurs 15 et 80 µm, des essais par Analyse Mécanique Dynamique (D.M.A.) et par micro-indentation ont été menés. Les résultats expérimentaux sont confrontés au moyen de simulations par éléments finis (Abaqus). Un premier modèle viscoélastique a permis de simuler correctement la charge et le plateau de fluage, mais s’avère insuffisant pour simuler la décharge

Indentation de films minces Ti1-xAlxN (0=x=1) : analyse mécanique et structurale

Des films minces Ti1-xAlxN (0 x 1) ont été étudiés par DRX, puis par microindentation associée à de la simulation par éléments finis. Les empreintes d'indentation sont analysées à partir d'images MET sur des lames amincies par FIB. Les résultats montrent des relations entre la structure cristalline, le mode de croissance et l'endommagement des couches en fonction de x. La forte proportion de joints de grains dans les films riches en Ti permet un glissement des zones cristallines sous l'effet des contraintes de cisaillement. Les films riches en Al sont plus texturés et fragiles

Multiscale analysis of abrasion damage

La topographie de surface est une caractéristique à prendre en considération au même titre que la composition chimique pour décrire la fonctionnalité d'une surface. Cette topographie peut être décrite par des paramètres de rugosité d'amplitude, de fréquence ou hybrides. L'évolution de deux paramètres d'amplitude Ra et Rt en fonction de la longueur d'évaluation est ici étudiée sur un acier inoxydable de type 316L dont la surface est obtenue par polissage pour différents grades de papier. Cette étude montre l'existence de trois régimes en fonction de l'échelle d'observation des valeurs de Ra et Rt. Un premier régime où l'endommagement des surfaces ne comporte pas de loi d'échelle entre les différents grades de papier. Un régime transitoire est aussi identifié et caractérisé par un paramètre d'évaluation appelé Cut-Off qui suit une loi logarithmique en fonction de la taille de grain du papier. Enfin un troisième régime où les paramètres de rugosité suivent une parfaite loi d'échelle prouve que pour ce régime les mécanismes d'endommagement sont identiques à des échelles différentes.Topographical aspect is a characteristics of a surface that is as much important as its chemical composition with regards to its functional properties. Topography can be mainly described by three kinds of roughness parameters: amplitude, frequency and hybrid parameters. This study aims at performing a multiscale analysis of the abraded surfaces of a 316L stainless steel ground at different levels. It is shown that the values of the two commonly used roughness parameters Ra and Rt are dependent of the observation scale and that three regimes can be distinguished to describe their evolution. A first regime for which the abraded surfaces are not characterized by any scale law can be observed at small observation scales (less than approximately 5 micrometers). Then, a transient regime can be noticed and modelled by a parameter called Cut-Off which follows a logarithmic evolution with the grain size. Finally, a third regime in which the roughness parameters follow a scaling low proving that the damage mechanisms in this range of observation scales (more than approximately 60 micrometers)

Influence du mode de polymérisation de composites verre/polyester sur leur comportement mécanique

L’objet de cette communication est d’analyser les propriétés mécaniques de composites unidirectionnels verre/polyester obtenus par deux procédés différents de polymérisation : un procédé conventionnel thermique et un procédé photochimique. Les propriétés mécaniques de surface ont été étudiées par micro-indentation afin d’observer l’influence des conditions d’élaboration sur la réponse du composite à une pénétration. Il apparait que la dureté d’indentation HIT et le taux de conversion de la résine ne sont pas suffisants pour discriminer les échantillons. Les propriétés d’élasticité et de fluage sont également nécessaires pour comparer et comprendre le comportement des différents composites. Le procédé de photopolymérisation de la résine améliore les propriétés mécaniques du composite ainsi élaboré

Caractérisation Multi-Échelles de la Rugosité de Matériaux Métalliques à Usage Biomédical ( Effet sur la Mouillabilité et l'Adhésion de Cellules Osseuses)

Ce travail a pour but de caractériser, à différentes échelles, par profilométrie tactile et par des méthodes de calcul rigoureuses, la topographie de biomatériaux métalliques (acier inoxydable, titane et alliage de titane) obtenue par polissage à différents grades de papier abrasif et par électroérosion. L'effet de la rugosité sur la mouillabilité. quantifiée par gonion et l'effet de la rugosité sur le comportement de cellules osseuses humaines, quantifie iac r- analyse d'images est statistiquement déterminé par le calcul de la pertinence de 101 paramètres de rugosité à toutes les échelles allant de 0,2 m à 5 mm. Il apparaît que la seule connaissance du paramètre de rugosité Ra calculé à une longueur d'évaluation arbitrairement choisie est insuffisante pour étudier l'effet de la rugosité. La rugosité doit être définie par des paramètres d'amplitude, de fréquence, hybrides et fractals et la longueur d'évaluation doit être adaptée à la taille de l'élément étudiée.This work aims to characterize the topography of metallic biomaterials (stainless steel, pure titanium and titanium alloy) by using a tactile profilometer and powerful mathematical treatments. The samples topography is obtained either by grinding with different paper grades or by electroerosion. The roughness effect on wettability, evaluated by goniometry, and the roughness effect on human bone cell behaviour, determined by image analyses, is statistically evaluated by calculating the relevance of 101 roughness parameters at different scales from 0.2 m to 5 mm. The major conclusion is that the evaluation of the rouglmess by the Ra parameter at only one scale, arbitrarily chosen, is insufficient to understand the roughness effect. Roughness must be defined by amplitude, frequency, hybrid and fractal parameters and the evaluation length must be adapted to the size of the studied element.MULHOUSE-SCD Sciences (682242102) / SudocSudocFranceF

Modélisation de l’indentation de revêtements multicouches Ti0,54Al0,46/Ti0,54Al0,46N

International audienceLe but de ce travail est de modéliser numériquement l’indentation de ces revêtements et de confronter les modèles aux résultats expérimentaux. La paramétrisation des modèles permettra de d’optimiser les conditions de dépôts à utiliser afin d’obtenir des revêtements performants

Relation between hardness of multilayered (Ti,Al)N based coatings and periods of their stacking

International audienceThis study aims to model, by using a finite element method, the relationship between the hardness and the period Λ of metal/nitride multilayer coatings (Ti0.54Al0.46/Ti0.54Al0.46N)n in order to understand the increase of the hardness at the low periods [1] and then optimise the multilayer coating architecture to obtain the best mechanical properties. A 2D axisymmetric finite element model of the Berkovich nanoindentation test was developed. The coating was designed as a stacking of Ti0.54Al0.46 and Ti0.54Al0.46N nanolayers with, in the first hypothesis, equal thickness and perfect interface. The elastoplastic behaviours of the metal and nitride layers were identified by Berkovich nanoindentation experiments and inverse analysis on thick monolayer samples. The indentation curves (P-h) obtained by this model depend on the period Λ of the stacking. Simulated (P-h) curves were compared with experimental data on 2 μm thick films with different periods Λ ranging from 10 to 50 nm deposited by RF magnetron sputtering using reactive gas pulsing process (RGPP). The model forecasts are very consistent with the experience for the largest period but the model does not reproduce the hardness increase at the lowest periods. The Λ = 10 nm coating was analysed by electron energy loss spectroscopy (EELS) on a transmission electron microscope. Results show intermixion of the layers with the presence of nitrogen atoms in the metal layer over a few nanometers [1]. It was concluded that the metal/ceramic interface plays an important role at low periods. The addition in the model of a transition layer in the metal/nitride stacking, with an elastoplastic metal/ceramic medium behaviour, allows to reproduce the nanoindentation experimental curves. The thickness of this transition layer deduced from model updating method is in very good agreement with EELS observations

Influence du mode de polymérisation de composites verre/polyester sur leur comportement mécanique

This paper aims to analyze the mechanical properties of unidirectional glass / polyester composites manufactured by two different processes: a conventional thermal polymerization and a photochemical process. The mechanical surface properties were studied by micro-indentation in order to observe the influence of the elaboration conditions on the response of the composite to penetration. It was demonstrated that the indentation hardness HIT and the degree of conversion are not sufficient to discriminate the samples. The elasticity and creep properties are also necessary to understand the behavior of the various composites. The photochemical resin improves the mechanical properties of the composite.L’objet de cette communication est d’analyser les propriétés mécaniques de composites unidirectionnels verre/polyester obtenus par deux procédés différents de polymérisation : un procédé conventionnel thermique et un procédé photochimique. Les propriétés mécaniques de surface ont été étudiées par micro-indentation afin d’observer l’influence des conditions d’élaboration sur la réponse du composite à une pénétration. Il apparait que la dureté d’indentation HIT et le taux de conversion de la résine ne sont pas suffisants pour discriminer les échantillons. Les propriétés d’élasticité et de fluage sont également nécessaires pour comparer et comprendre le comportement des différents composites. Le procédé de photopolymérisation de la résine améliore les propriétés mécaniques du composite ainsi élaboré