Determination of Stress-Strain Curve through Berkovich Indentation Testing

Abstract

Instrumented indentation testing is a technique widely used in different materials to evaluate the penetration depth in function of the indenter load. Considering Berkovich indenter, this methodology has been used to determine mechanical properties such as hardness, Young modulus and a stress versus strain curve of the elastic-plastic behaviour under compression of the tested materials. However, the implementation of this technique to evaluate mechanical properties and also its results have still brought doubts on research areas. Nowadays, the use of a numerical methodology able to evaluate the stress and strain fields during indentation cycle can lead to a more secure interpretation. The aim of this work was to simulate the Berkovich indentation testing and to propose a methodology to extract the stress-strain curve through experimental and numerical analyses. The obtained numerical results for the load-displacement curve were quite similar to the experimental curve presented in the literature.

Estudo numérico da influência do coeficiente de atrito no ensaio de indentação em filmes finos

“…Em função destas limitações na análise dos ensaios de indentação o uso de uma técnica numérica capaz de avaliar os campos de tensões e de deformações durante o ciclo de indentação pode auxiliar em uma interpretação mais segura deste ensaio. Nas últimas décadas, esta metodologia numérica começou a ser estudada através de modelos discretos de elementos finitos para avaliar o comportamento de diferentes materiais sob o ensaio de indentação [5][6][7][8][9].…”

Simulação do ensaio de indentação em filmes finos com o uso de modelos de trinca difusa

“…Uma vez que, nos ensaios experimentais, o deslocamento do indentador é aplicado a uma pequena velocidade de penetração e o comportamento da carga em função do deslocamento é obtido através de um sensor no equipamento [3,6] Por isso, simulou-se o ciclo de indentação, carregamento e descarregamento do ensaio, através do deslocamento prescrito do indentador, permitindo-se, assim, um melhor controle numérico no início e durante a simulação do ciclo de indentação [6,8]. Além desse melhor numérico, o ensaio foi executado em duas fases, uma de descida do indentador, seguido de sua subida, completando-se o ciclo.…”

“…Nesta σ e , ε e , n e σ o são, respectivamente, a tensão efetiva, a deformação efetiva, o coeficiente de encruamento e o limite de escoamento. A Tabela 2 ilustra os valores experimentais do módulo de Young e do coeficiente de Poisson (ν), assim como, os valores obtidos a partir da combinação do procedimento experimental e o numérico para definir a curva de fluxo, conforme proposto por Dias e Godoy [6].…”

“…A compressão da carga F provoca uma impressão permanente na amostra com o formato de uma calota esférica de diâmetro d, a qual é medida por intermédio de um microscópio óptico após o ensaio [5]. Entretanto, a implementação desta técnica de indentação para a avaliação das propriedades mecânicas e os seus resultados obtidos ainda gera dúvidas no meio científico, principalmente, quando se pretende avaliar o comportamento mecânico de filmes finos [1,6]. Também é importante destacar que em ensaios experimentais de indentação com penetradores esféricos surgem fissuras radiais e circunferenciais ao redor da impressão do indentador na superfície do filme fino, conforme Figura 2.…”

“…Em função das limitações experimentais na análise dos ensaios de indentação, o uso de uma técnica numérica capaz de avaliar os campos de tensões e de deformações durante o ciclo de indentação pode auxiliar em uma interpretação mais segura do teste [6]. Por isso, este trabalho teve o objetivo de avaliar numericamente o contato de penetradores esféricos (Brinell) rígidos em sistemas recobertos por CrAlN, com diferentes espessuras, durante o ensaio de indentação.…”