Nos plateformes

    Surfaces : caractérisation & tribologie

    La plateforme Caractérisation des Surfaces & Tribologie vient en appui de nos études portant sur la dégradation des surfaces face à l’environnement ou dans les contacts, et sur les procédés permettant de transformer les propriétés des surfaces afin d’améliorer leur résistance face à ces évolutions. L’appartenance au CEMEF explique une compétence particulière sur les évolutions produites par les procédés de fabrication et d’assemblage. La plateforme conjugue analyses chimiques de surfaces, caractérisations physiques diverses et mesures des propriétés mécaniques superficielles, associés ou non à des essais tribologiques. Ces techniques sont naturellement applicables aux métaux, céramiques, polymères et composites.

    Tribomètres (prototypes)

    - Tribomètres pion-disque rotatifs à l’ambiante et en température (jusqu’à 150°C).
    - Tribomètre d'étirage plan (Flat Die Test) pour emboutissage des métaux

    Analyses chimiques de surface

    - XPS : spectrométrie de photoélectrons
    - FTIR : spectrométrie infrarouge
    - EDS : spectrométrie de Rayons X à dispersion d'énergie (associé à chaque MEB)

    Caractérisation physique

    - Rugosimètre optique (chromatique confocal)
    - AFM
    - Gonio-spectro-colorimètre
    - Goniomètre de mouillage (énergie de surface)

    Caractérisation mécanique de surface

    - Micro- et macro-dureté
    - Micro-indentation à chaud (prototype, jusqu’à 1000°C)
    - Platine micromécanique in-situ MEB (micro-indentation, micro-rayure, compression de micro-piliers)
    - Nano-indentation couplé à l’AFM
    - mesure des contraintes superficielles par DRX

    Tribologie

    Tribomètre d'étirage plan & Bending Under Tension (BUT), simulateur d'emboutissage

    Version « étirage » : L'échantillon est pressé entre deux outils avec une force horizontale P, on fait glisser l'échantillon verticalement en mesurant la force d'étirage F et on détermine le coefficient de frottement µ=F/2P

    Version BUT : L'échantillon glisse autour d’un arrondi d’outil tout en étant maintenu tendu à l’autre extrémité. On détermine le coefficient de frottement sous forte pression, caractéristique des arrondis d’outils en emboutissage

    Caractéristiques : Serrage: jusqu’à 10 kN ; Vitesse d'étirage: de 1 à 100 mm/s ; Effort d'étirage : jusqu’à 20 kN

    Modèle : Prototype CEMEF

    Tribomètre rotation pion-disque, température ambiante

    Principe : Mesure du couple C sous une force de contact P, on déduit le coefficient de frottement de Coulomb µ=C/(r.P) (r : distance entre l’axe de rotation et le centre du pion)

    Objectif : Etudier le frottement et l'usure

    Modèle : Prototype Mat'XPer

    Tribomètre rotatif pion-disque à chaud

    Principe : Mesure du couple C sous la force normale P, on déduit le coefficient de frottement de Coulomb µ=C/(r.P) (r : distance entre l’axe de rotation et le centre du pion)

    Objectif : Etudier le frottement et l'usure

    Caractéristiques : Vitesse de rotation 0-150 tr/min ; Température d’enceinte 20 à 150 °C

    Modèle : Prototype CEMEF

    Caractérisation chimique des surfaces

    Les divers dispositifs complémentaires donnent des informations sur la composition chimique des matériaux pour des épaisseurs allant de la dizaine de nanomètres à quelques micromètres.

    XPS : spectrométrie de photoélectrions X

    Principe : Un faisceau de photons X vient frapper l’échantillon et provoquer l’émission d’électrons. L’énergie des électrons mesurée est caractéristique des éléments présents dans les premières couches atomiques et de leurs liaisons. Analyse de solides ou de poudres

    Objectif : analyse de la composition élémentaire de surface sur une épaisseur 10 nm + profil de composition par érosion ionique. Détection de tous les éléments sauf H et He, avec une concentration minimale de 0.1 à 0.3 % at

    Modèle : K-ALPHA -ThermoFisher

    EDS : spectroscopie de Rayons X à dispersion d'énergie (couplée MEB)

    Principe : la spectroscopie de rayons X à dispersion d’énergie résulte de l'impact du faisceau d'électrons du MEB sur l’échantillon

    Objectif : analyse de la composition chimique d’un matériau en un point ou pour une surface avec une cartographie de répartition des éléments atomiques

    Modèles : voir plateforme MEB. Résolution de l’ordre de 1µm en latéral et en profondeur

    Caractérisations physiques

    AFM et nano-indenteur

    Principe : mesure de topographie de surface par pointe, avec ou sans contact (tapping mode) avec une résolution spatiale de l’ordre du nm

    Objectif : numériser, visualiser la surface d’un matériau, identifier les contrastes de propriétés matérielles, forces d’adhésion

    Modèle : 5500 LS ; Marque : Agilent + nano-indenteur Hysitron

    Rugosimètre / profilomètre optique

    Principe : rugosimètre / profilomètre 3D haute résolution sans contact, de type confocal chromatique

    Objectif : mesure des de la topographie des surfaces / de la forme d'objets. Capacité de mesurer l’épaisseur d’une couche transparente

    Modèles : Micromesure 2, capteur CCS PRIMA : Marque : STIL

    Gonio-spectro-colorimètre

    Principe : Mesure de réflectance spectrale d’un matériau opaque ou transparent en fonction de l’angle d’incidence

    Objectif : Obtenir l’information colorimétrique et le spectre caractéristique d’un matériau dans un environnement lumineux donné, mieux comprendre la couleur de ce matériau

    Modèles : Ruby 2, Marque : STIL (platine de balayage angulaire CEMEF)

    Goniomètre de mouillage

    Principe : Mesure d’un angle de contact

    Objectif : Déterminer la mouillabilité d’un liquide sur un matériau solide, l’énergie de surface

    Modèles : DSA100 ; Marque : KRUSS

    Caractérisation mécanique de surface

    Plateforme micro-mécanique de surface

    Principe : Machine d’essais micromécaniques in situ dans un microscope électronique à balayage (MEB). Sollicitations monotones ou cycliques : indentation, compression de micro-piliers, rayure, impact, fatigue

    Objectif : Étude des propriétés mécaniques locales sous chargements complexes. Applications aux métaux, céramiques et composites, couches de surfaces transformées (TTS)

    Modèle : Nano-indentation Platform. Marque : ALEMNIS

    micro-indenteur à chaud

    Principe : Machine de micro-indentation à chaud, sous vide ou en atmosphère contrôlée

    Objectif : Caractérisation micromécanique de matériaux à haute température (dureté, ténacité) avec visualisation des fissures à chaud par caméra CCD

    Caractéristiques : Température 20 à 1000 °C ; Charges de 0,1 à 20 N. Enceinte sous vide ou atmosphère protectrice (azote)

    Modèle : Prototype CEMEF

    Diffraction des Rayons X - Détermination des contraintes résiduelles

    Principe : interaction rayon X et réseau cristallin, mesure des variations de distances interréticulaires

    Objectif : mesure des contraintes dans les couches superficielles d’un matériau cristallin

    Caractéristiques : Clichés de Debye Scherrer ; Analyses de poudre ; Analyses de contrainte (à froid et à chaud, maxi 1100°C) ; Analyses de texture (à froid et à chaud, maxi 1100°C) ; Mesures en incidence rasante ; Mesures en transmission ; Mesures en SAXS (Small Angle X-rays Scattering) ; Chambre chauffante sous azote ; Machine de traction pour des mesures in-situ

    Modèles : Xpert, 1830 ; Empyrean ; PANalytical

    Contacts

    Pierre Montmitonnet
    Equipe PSF

    Frédéric Georgi
    Equipe PSF