Development of multicycle indentation on the study of solid, coated and heterogeneous materials

L'évaluation des propriétés mécaniques des matériaux par essais d’indentation instrumentée (IIT) a été largement étudiée ces dernières années. L'objectif de ce travail est de développer une méthodologie pour analyser le comportement mécanique des matériaux à partir des données obtenues par indentation multicyclique à une échelle microscopique de manière à limiter les problèmes liés à l’hétérogénéité des matériaux et à augmenter le nombre de données pour l’étude des revêtements épais que seule l’analyse nanométrique ne permet pas de fournir dans le cas de revêtements hétérogènes. Pour valider notre approche, nous étudions la dureté et le module d'élasticité de matériaux massifs homogènes (aciers au carbone), de revêtement épais hétérogène (hydroxyapatite), et de revêtement bicouche (Nickel-Phosphore). L’étude des matériaux massifs homogènes nous a permis, tout d’abord, de valider la méthodologie. Nous proposons également un modèle pour estimer la dureté et le module d’élasticité des revêtements d’hydroxyapatite en considérant la compaction du matériau pendant l’indentation. D’autre part, nous proposons de relier la dureté et le module d'élasticité à la fraction volumique de cristallinité. Enfin, à partir de l’indentation multicyclique effectuée sur le revêtement Ni-P bicouche, nous proposons un modèle pour évaluer le module d'élasticité de chaque couche à partir de l’expression de l'inverse de la raideur de contact en fonction de l’aire de contact proposée initialement pour un monocouche par Tricoteaux que nous couplons également à une approche multicouche basée sur le modèle de Korsunsky.The assessment of mechanical properties of materials by instrumented indentation tests (IIT) have been widely performed in last years. The objective of this work is to develop a methodology to analyze the mechanical behavior of materials from the data obtained by a continuous multicycle indentation test at the microscale of loads so as to limit the problems associated with the heterogeneity of the materials and to increase the amount of data for the study of thick coatings that only nanoscale analysis does not provide in the case of heterogeneous coatings. To validate our approach, it was study the hardness and the elastic modulus of homogeneous bulk materials (carbon steels), heterogeneous dense coating (hydroxyapatite), and a two-layer coating material (Nickel-Phosphorus). The study of homogeneous bulk materials allowed us, first, to validate the methodology. It is also proposed a model to estimate the hardness and elastic modulus of hydroxyapatite coatings considering the compaction of the material during the indentation process. Second, it is proposed to associate the hardness and elastic modulus to the volume fraction of crystallinity. Finally, from the multicycle indentation tests performed on the electroless Ni-P bilayer coating, a new approach is advanced to assess the elastic modulus of each layer from the expression of the reciprocal of the contact stiffness as function of the contact area originally proposed by Tricoteaux for a monolayer system, but now linked to a multilayer model based on the weight function suggested by Korsunsky