Fundamentos de nanoindentação e aplicações em vidros com superfícies modificadas por migrações iônicas

Abstract

Resumo: Neste trabalho são desenvolvidos dois temas ligados a área de propriedades mecânicas de superfícies. Apresenta-se um novo método para o calculo da dureza e do modulo de elasticidade, a partir dos ensaios realizados em um nanoindentador, baseando-se na teoria da interação elástico-plástica entre penetrador e amostra e no ajuste das curvas de carga e descarregamento por funções de potencia. O método, desenvolvido em três versões equivalentes, método da rigidez, do trabalho, e geométrico, propicia uma interpretação teórica diferente para a dureza e para o modulo de elasticidade e se revela útil na obtenção das propriedades mecânicas de superfícies rugosas através de ensaios de nanoindentação. Na segunda parte são analisados os efeitos da migração iônica nas propriedades mecânicas superficiais de vidros por métodos de penetração com pontas de diamante. Realizam-se ensaios de migração iônica em amostras de vidro sob a ação de alta tensão em corrente continua, por longos períodos. Os efeitos da migração iônica são importantes nos processos de degradação dos isoladores das linhas de transmissão de energia em alta tensão em corrente continua. Dependendo do tipo de íon que ocupa o lugar do sódio migrante da região do anodo alteram-se os efeitos da migração iônica na tensão residual nas camadas próximas a superfície: quando são íons de hidrogênio, observa-se uma tensão residual de tração e quando são íons de prata, uma tensão de compressão. A migração iônica produz um decaimento nos valores da dureza nas superfícies modificadas tanto pela penetração dos ions de hidrogênio como pela penetração dos íons de prata.

Abstract: In this work two main subjects related to the mechanical properties of surfaces and thin films are developed. A new model to calculate the hardness and elastic modulus from nanoindentation test is presented. This model is based on the elasto-plastic interaction between the indentation tip and the sample. The fitting of force versus displacement experimental curves, in loading and unloading process, are made by power law functions. The model is developed in three equivalent versions: for stiffness, for work and for geometric analysis. The new model provides a different theoretical approach to obtain hardness and elastic modulus from nanoindentation, and it is useful to solve some problems related to obtain the mechanical properties from nanoindentation tests in rough surfaces. In the second part the effect of ionic migration on the surface mechanical properties of glasses is analyzed by indentation methods. An external high voltage DC applied for a long time produces the ionic migration in glass surfaces. Ionic migration effects are important as a degradation process in high voltage DC transmission lines insulators. The ionic migration effects on residual stress at surface depend on the kind of ion that replaces the sodium ions originally in glass surface at anode region. When the sodium ions are replaced by the penetration of hydrogen ions a surface tension stress is observed while for the penetration of silver ions a compressive stress is observed at the surface. The ionic migration produces a decrease in the hardness values at modified surfaces for both hydrogen and silver penetrating ions.