Détermination de la ténacité de matériaux fragiles ou ductiles à partir de l’essai d’indentation

Fracture toughness evaluation of brittle or ductile materials by indentation testing

Arts et Métiers ParisTech; Laboratoire Mécanique, Surfaces, Matériaux & Procédés (MSMP), 8 boulevard Louis XIV, 59046 Lille Cedex, France
e-mail : alain.iost@ensam.eu

Reçu : 7 Novembre 2012
Accepté : 29 Mars 2013

Résumé

les différentes méthodes qui utilisent l’essai d’indentation pour estimer la ténacité sont revues et commentées. Pour les matériaux fragiles, les formules sont principalement basées sur la mesure des fissures formées par l’indenteur ou, si l’essai est instrumenté, sur les décrochements (pop-in) observés sur la courbe charge-déplacement. D’autres méthodes moins connues peuvent utiliser la mesure de l’ouverture en fond de fissure, une équivalence entre la longueur de fissure formée et l’accroissement de pénétration de l’indenteur ou le clivage provoqué par une indentation proche du bord du matériau étudié. Pour les matériaux ductiles aucune fissure n’est visible à la surface, même pour les fortes charges appliquées. Dans ce cas la ténacité est reliée par la mécanique continue du dommage à un dommage critique mis en évidence par la diminution du module d’élasticité avec l’augmentation de la profondeur d’indentation. Toutes ces méthodes permettent de calculer la ténacité avec une incertitude pouvant aller au maximum à 50 %.

Abstract

Micro and nanoindentation tests are widely used to evaluate the fracture toughness of brittle materials. The methods are principally based on the radial cracks length as a function of indentation load. More recently methods were developed in relation with the pop-in observed on the loading portion of the load-displacement curve in instrumented indentation, measurement of the crack opening displacement or chipping induced by indentation near the edge of the material. For ductile materials a new indentation technique was recently introduced for estimating the fracture toughness, although no crack is observed. The critical indentation energy is related to the decreases of Young’s modulus measured by indentation and a model based on continuum damage mechanic. In this paper, we propose a retrospective of these different methods using principally sharp indenters. All these methods are attractive because of their simplicity and ease of implementation. However, the uncertainties obtained for the measurement of toughness can be significant and even reach 50%.