Dureté des revêtements : quel modèle choisir ?

Abstract

La caractérisation des propriétés mécaniques des revêtements, et plus particulièrement de leur dureté est d'une grande importance dans le milieu industriel et fait l'objet de nombreuses études. Le plus souvent, la mesure directe de cette grandeur n'est pas possible, puisque sa valeur est influencée par les caractéristiques du substrat sur lequel le revêtement est déposé. Dans cet article, nous nous proposons d'étudier la robustesse de différents modèles utilisés dans la littérature, avec prise en compte de l'effet de la force sur la dureté du film et du substrat, pour déduire la dureté du revêtement de celle du « composite » [revêtement - substrat]. Pour cela, nous avons effectué des essais sur une pièce industrielle en acier, revêtue par un dépôt de nickel chimique de 55 µm d'épaisseur. Cette épaisseur est suffisante pour que la dureté du revêtement puisse être mesurée et comparée à celle obtenue par les modèles. En effectuant des essais sous différentes forces appliquées, nous avons mesuré expérimentalement les duretés « composite » et celles du substrat. À partir des valeurs de dureté du revêtement et du substrat (valeurs considérées comme exactes, sans incertitude), nous avons optimisé les coefficients variables de chaque modèle pour tracer une dureté composite, en fonction de l'inverse de la diagonale de l'empreinte, la plus proche possible des résultats expérimentaux. Ces courbes sont considérées ensuite comme les « courbes expérimentales » (sans incertitude), sur lesquelles nous étudions la robustesse des modèles. Cette robustesse est d'abord testée en perturbant les valeurs de dureté « expérimentales » par un bruit (incertitude due à l'appareil de mesure). Une deuxième perturbation est également introduite en supprimant les données relatives aux plus faibles profondeurs de pénétration, afin de déterminer le domaine expérimental (profondeur d'indentation sur épaisseur de revêtement) où la prévision de la dureté du revêtement est possible (il est évident que si les conditions expérimentales sont réunies pour que la dureté du film seul puisse être mesurée, l'utilisation d'un modèle ne s'impose pas). Nous montrons que les modèles deviennent moins stables lorsque le nombre de paramètres variables augmente, et que le modèle de Jönsson et Hogmark donne les meilleures prévisions. Cette méthode peut être utilisée pour définir les conditions expérimentales (choix de l'appareil et gamme de forces) qui permettent de mesurer la dureté d'un revêtement en fonction de sa dureté et de son épaisseur présumées.

The extensive use of appropriate coatings to improve wear resistance, friction coefficient, electrical properties and protection against corrosion has stimulated a growing interest in their mechanical properties, and especially in hardness measurements. The aim of this study is to compare the robustness of different models tacking into account the indentation size effect on film and substrate proposed in the literature to estimate the hardness of coatings from indentations where both coating and substrate interact. First, experimental data are obtained on a thick (55 µm) chemical nickel coating chemically deposited on a steel substrate using macrohardness measurements. The high thickness of the coating allows the direct determination of the film hardness and its variation with the applied load. Different models are then applied to depict hardness variation with the indentation depth. The best fit is obtained by varying the model parameters, and the model curve is then used as the experimental curve. The experimental data deduced from this experimental curve are then perturbed by a Gaussian random noise with 0 as mean and 1 µm as standard deviation. A second perturbation is performed by subtracting the results related to the smallest indentation depths and applying the former noise. It is shown that the Jönsson and Hogmark model produced the best prediction. Prediction is less accurate four models which used three or for parameters since these parameters are strongly connected.