Nanoindentazione: dalla calibrazione all'applicazione ai materiali metallici massivi e ai rivestimenti

Evaluation of mechanical properties is of great importance for design and development of engineering components with enhanced structural and wear performance. As mechanical systems in today's technology tend to decrease in size down to nanometers, characterization technique for mechanical properties of materials shifted its range from mN to μN. Nanoindentation is a recent technique developed to measure mechanical properties on nano scale based on the continuous recording of applied force and depth. Initially used for the evaluation of hardness and elastic modulus of small material volumes and thin films, emerging uses are for the evaluation of a broad range of mechanical behavior, such as fracture, time dependent behavior, and residual stress. Although largely used to characterize nanostructured materials, this technique can be successfully applied also in bulk alloys. The method stands out by the high inherent measurement accuracy and easy of automation compared to most of the mechanical test methods. Nevertheless, many phenomena play an important role in the accurate determination of the materials properties. The first goal of this study is to analyze the influence of these sources of data distortion. The second part of the study, aims to give a solid starting point for developing some measurement standards in new fields of application and for defining and preparing new standards to support measurement technology in the field of nanomaterials characterization. Finally, different applications of nanoindentation technique are presented and discussed both on coating and bulk materials.

La valutazione delle proprietà meccaniche rappresenta un aspetto importante nella progettazione e nello sviluppo di componenti ingegneristici con elevate prestazioni strutturali e tribologiche. Dato che nelle tecnologie odierne i sistemi meccanici tendono a diminuire nelle dimensioni fino a scala nanometrica, le tecniche di caratterizzazione meccanica dei materiali hanno spostato il range di misura dai mN ai μN. La nanoindentazione è una tecnica sviluppata di recente che permette di misurare le proprietà meccaniche su volumi molto piccoli partendo dai dati che si ottengono mediante acquisizione continua della forza applicata e della profondità di penetrazione. Inizialmente utilizzata per la valutazione di durezza e del modulo elastico di piccoli volumi e dei film sottili, la nanoindentazione permette oggi di ottenere informazioni anche su altre proprietà meccaniche, quali il comportamento a frattura, a creep e le tensioni residue ecc. La nanoindentazione è attualmente utilizzata soprattutto per la caratterizzazione meccanica dei rivestimenti sottili, ma essa può essere applicata con successo anche allo studio dei materiali massivi. L’elevata precisione e automazione delle misure rendono le prove di nanoindentazione di facile esecuzione rispetto alle altre prove meccaniche. Nonostante ciò, è importante sottolineare che sono molteplici i fattori che incidono sull’accuratezza della misura delle proprietà meccaniche. La prima parte dello studio mira proprio ad analizzare l'influenza di queste fonti di errore. Nella seconda parte del lavoro vengono gettate le basi per lo sviluppo di nuovi standard di misurazione in svariati campi di applicazione e per la definizione e preparazione di nuove norme a supporto della tecnologia di misura nel campo della caratterizzazione dei nanomateriali. Infine, sono presentati e discussi i risultati ottenuti applicando la tecnica della nanoindentazione a diversi casi di studio, riguardanti sia i rivestimenti sottili che i materiali massivi.