Multi-scale approach of the instrumented indentation technique on the fracture toughness estimation

Instrumented Indentation Technique (IIT) is widely used to determine the mechanical properties of materials. The elastic modulus is usually determined by applying the methodology proposed by Oliver and Pharr [1] who supposed that its value is independent of the indentation depth. However, some authors [2, 3] have observed a decrease of the elastic modulus when the indenter displacement increases which allowed them to introduce a continuous damage theory used afterwards to estimate the fracture toughness of ductile materials. The assumption made by the authors is that a damage in the region very close to the bottom of the indent results in the formation of microvoids which leads to the variation of the elastic modulus as a function of the indenter displacement. Starting from this observation, Lee et al. [2] proposed an energy model based on the Griffith’s theory and the continuous damage mechanics (CDM) which states that the elastic modulus variation is related to the fraction void volume through a variable damage, introduced by Kachanov [4], related to the surface density of the microdefects. On the other hand, the works carried out over ductile materials by Li et al. [3] have been performed only with nanoindentation data preventing a discussion on the scale-­‐effect. (...

Exploitation of static and dynamic methods for the analysis of the mechanical nanoproperties of polymethylmetacrylate by indentation

The development of instrumented nanoindentation consists of non-destructive tests applied to miniature volumes of material (PMMA). The present research focuses on the factors explaining the variation in the trends of the mechanical properties studied. The evolution of Young's modulus (E) and contact hardness (H) with depth (h) and indentation force (P) shows the existence of an inflection point (2.77 nm) at low penetrations which separates two zones with the first increasing trend and the second decreasing. Explained respectively by the surface hardening induced by the preparation of the material surface and the existence of a surface hardness gradient denoted by the indentation size effect (ISE) observed at very low depths. In addition, on detection of a critical penetration depth below which the effect of the surface on the nanohardness dominates, the variation in the penetration charge is of the order of 9.71 nm. The differences in results of E and H between the dynamic and static modes are of the order of 8.46% and 6.44% inducing an overestimation of 35 MPa in value of E and an underestimation of 1.23 MPa in value of H. They tend to affect the expected nanoscale precision of the indentation to determine the nanomechanical properties of PMMA

Amélioration de l’intégrité des surfaces plates usinée de l’alliage d'aluminium 2017A par l'application de six nouvelles stratégies de galetage à bille.

Le galetage à bille est un traitement mécanique superficiel de finition et de parachèvement des surfaces mécanique fonctionnelles [1]. Il est largement pratiqué suite à l’usinage des surfaces de formes cylindriques [2-3-4], sphériques [5], concaves ou convexes [6], plates [7] ou de formes complexes [5] des pièces mécaniques. Généralement l’amélioration de la résistance à l’usure est le résultat de l’amélioration de l’intégrité des surfaces traitées par la recherche, la maitrise et l’optimisation des paramètres significatifs du procédé du galetage à billes. Dans la présente recherche nous révélons l’influence de la variation de l’application des stratégies de galetage à bille sur l’amélioration de l’intégrité des surfaces plates de l’alliage d’aluminium 2017A pour les valeurs optimum de l’avance latérale, la vitesse de galetage, la profondeur de pénétration. Le travail expérimental, mené dans cette étude possède comme objectif l’application de six stratégies de galetage à bille de la surface plate des échantillons en alliage d’aluminium 2017A. L’usinage des surfaces échantillons et leurs traitement superficiel par galetage à bille ont été réalisé sur le même centre d’usinage à commande numérique SPINNER VC650 à trois axes

Caracterisation des proprietes mecaniques par nanoindentation d’un revêtement de zinc pour differentes epaisseurs de tôles galvanisees

La nano-indentation permet de connaître les propriétés mécaniques des surfaces ou des couches minces, en particulier leur dureté et leur module d'élasticité réduit. Ce travail porte sur la détermination des propriétés mécaniques d’un revêtement de Fer-zinc formé sur un substrat en acier de construction laminé à froid avec différentes épaisseurs de tôles. Ce revêtement, typiquement d’une épaisseur de l’ordre 10-20 μm résultant d’un traitement de galvanisation, est constitué des phases êta, dzêta, delta et gamma (interface substrat/revêtement). Les échantillons sont issus de tôles galvanisées dans les conditions d’Arcelor Mittal Annaba. Les essais de nano indentation ont été menés en mode continu à l’aide d’un appareil Nano-Indenter XP ©. L’avantage de ce mode (CSM), est de rendre possible la mesure du contact indenteur/échantillon et donc la dureté (H) et le module de Young (E) tout au long de la phase de pénétration. Seize empreintes ont été réalisées sur différentes épaisseurs de tôle (0.4mm ; 0.7mm; 1mm et 1.5mm), sur chacun des deux constituants (couche Fe-Zn et substrat) ; celles réalisées sur le substrat servant à valider l’approche inverse à établir pour déterminer le comportement du revêtement

Etude des proprietes mecaniques des couches galvanisees par nanoindentation

Les revêtements industriels Fe-Zn constituent une large gamme des semi-produits de galvanisation en continu de tôles minces destinées à l’industrie de la carrosserie automobile. Ce revêtement, typiquement d’une épaisseur de l’ordre de 10 μm, résultant d’un traitement de post-galvanisation est constitué d’une phase êta, dzêta, delta et gamma (interface substrat/revêtement)

A new method to fabricate Fe-TiC composite using conventional sintering and steam hammer

The aim of this research paper is to fabricate a Fe-TiC composite by a novel and simple manufacturing method. The latter is based on two cumulative processes; a conventional sintering (transient liquid phase sintering) and a hot forging with steam hammer respectively. The blinder phase of the studied simples is varied from carbon steel to high alloy steel using alloying additive powders. The obtained outcomes showed that after the sintering process, the relative density of the performed simples is improved from 86% to 95.8% without any densification process. Otherwise, in order to ensure maximum densification and enhance in addition the solubility of the alloying additives the hot forging process is then applied. Indeed, the final obtained composite product is a TiC-strengthened steel with a relative density around 99% (about 6.5 g/cm3 of density) wherein 30% (wt.) of spherical and semi-spherical TiC particles are homogeneously distributed in the metal matrix

Amélioration de l’intégrité des surfaces plates usinée de l’alliage d'aluminium 2017A par l'application de six nouvelles stratégies de galetage à bille.

Le galetage à bille est un traitement mécanique superficiel de finition et de parachèvement des surfaces mécanique fonctionnelles [1]. Il est largement pratiqué suite à l’usinage des surfaces de formes cylindriques [2-3-4], sphériques [5], concaves ou convexes [6], plates [7] ou de formes complexes [5] des pièces mécaniques. Généralement l’amélioration de la résistance à l’usure est le résultat de l’amélioration de l’intégrité des surfaces traitées par la recherche, la maitrise et l’optimisation des paramètres significatifs du procédé du galetage à billes. Dans la présente recherche nous révélons l’influence de la variation de l’application des stratégies de galetage à bille sur l’amélioration de l’intégrité des surfaces plates de l’alliage d’aluminium 2017A pour les valeurs optimum de l’avance latérale, la vitesse de galetage, la profondeur de pénétration. Le travail expérimental, mené dans cette étude possède comme objectif l’application de six stratégies de galetage à bille de la surface plate des échantillons en alliage d’aluminium 2017A. L’usinage des surfaces échantillons et leurs traitement superficiel par galetage à bille ont été réalisé sur le même centre d’usinage à commande numérique SPINNER VC650 à trois axes

Caractérisation mécanique de revêtements sol-gel hybrides

Nous avons développé une solution sol-gel hybride organique-inorganique qui, après application par trempé ou pulvérisation et suivi d’une étape de cuisson, permet d’apporter une protection contre la corrosion. Cette solution a été mise au point afin de pouvoir remplacer un acier inox 316L par un couple « inox 430 + dépôt sol-gel » tout en conservant les mêmes propriétés électrochimiques. En parallèle à l’étude des propriétés électrochimiques, nous avons développé une méthodologie pour caractériser les propriétés mécaniques du revêtement (dureté, module d’élasticité, ténacité) ainsi que son adhérence sur le substrat

Scale effect on tribo-mechanical behavior of vegetal fibers in reinforced bio-composite materials

The nature of friction of vegetal fiber and polymeric matrix in bio-composite materials is very important for many industrial applications. In order to design natural fiber composites for structural applications, the scientific understanding of tribo-mechanical phenomena inside the heterogeneous structure of natural fibers and also the overall heterogeneous structure of the bio-composite is required. This implies a special focus on the fundamental aspects of vegetal fiber friction at the macro-, meso-, and microscale. This research paper investigates the multiscale mechanical and friction properties of natural fibers. The mechanical properties of flax fibers, glass fibers (as a reference) and polypropylene matrix has been evaluated at microscale and mesoscale by Atomic Force Microscopy (AFM) and Nanoindenter XP (MTS Nano Instruments), respectively, using nanoindentation technique. At the macroscale, the mechanical behavior has been considered for the global composite structure. The micro-friction response of each composite component has been measured by instrumenting AFM for scratch test technique. The results show the scale dependence of mechanical behavior for flax fibers, unlike glass fibers and polypropylene matrix where their mechanical performances are independent of the analysis scale. Tribological results in terms of dynamic friction coefficient show that flax fibers induce more friction than glass fibers, while polypropylene matrix generates the highest friction. This is sign that vegetal fiber friction is scale dependent property as shown when referring to the contact mechanics theory. The arisen results are very important for many technical applications in PMCs surface engineering based on plant fibers

Application de l’indentation a l’etude de la tenacite apparente d’interface dans un beton arme

La détermination de l’adhérence d’un béton sur une armature en acier fait très souvent appel à des techniques difficiles à mettre en œuvre et nécessite la plupart du temps une préparation longue et complexe de l’échantillon. Dans cette étude nous proposons d’étudier la ténacité apparente d’interface entre un béton et son armature métallique, par des essais de macroindentation instrumentée. Le principe, relativement simple, consiste à créer et à propager une fissure le long de l’interface béton/armature acier