Кинетическое
измерение твердости может быть гораздо более эффективным при четком определении
соотношения пластической и упругой деформации при индентировании образца.
В настоящее время по данным индентирования
определяют предел текучести, модуль упругости, вязкость разрушения и энергию,
поглощенную на разных этапах индентирования; проводят корреляцию диаграмм
твердости и растяжения образца [1,2]. Тем не менее многие исследователи
различно понимают суть деформационных процессов, происходящих при индентировании [3]. При индентировании изначально под
индентором возникает состояние одноосного сжатия; при увеличении нагрузки поле напряжений изменяется, и, в
зависимости от величины загрузки и индентора деформация изменяется от упругой
при наноиндентировании до упруго-пластической при микро- и пластической при
макроиндентировании [1-3]. Соответственно этому увеличивается глубина
воссстановленного отпечатка после полного снятия нагрузки. Восстановление
отпечатка является следствием упругой деформации, и чем больше доля
восстановленного отпечатка в процессе снятия нагрузки, тем больше должна бать
доля упру гой деформации. Поэтому интенсивность восстановления от печатка, т.е.
изменение его основных параметров при разгружении, может служить важной
характеристикой материала.
Целью работы было определить сравнительную интенсивность
восстановления отпечатков, сделанных при индентировании пирамидой Берковича
различных материалов.
Восстановление отпечатка происходит с
одновременным изменением нескольких параметров: уменьшением линейных размеров
основания отпечатка инденторов пирамидальной формы (Виккерса, Берковича) или диаметра лунки (для
индентора-шарика); уменьшением глубины внедрения; увеличением угла при вершине
пирамиды или угла внедрения шарика. Математические законы этих изменений
определяются природой материала и условиями индентирования. Для выяснения динамики восстановления
отпечатков индентора Берковича были определены зависимости между параметрами
основания и высотой пирамиды:
Высота (диагональ) основания пирамиды,
высота пирамиды и угол при ее вершине связаны линейной зависимостью. Однако
невозможность контролировать изменение хотя бы 2-х из этих 3-х параметров в
процессе восстановления отпечатка не позволяет точно определять динамику
процесса восстановления. Мы можем сделать только несколько приблизительных
заключений на основании принятых допущений.
Так, при условии неизменности угла при
вершине пирамиды отпечатка в процессе восстановления из зависимости 1 следует,
что параметры основания изменяются в в 6,513 раз быстрее, чем глубина
проникновения индентора.
Полностью восстановленным отпечатком в
данной работе мы считаем отпечаток, соответствующий глубине внедрения индентора
при нагрузке, равной 0. В то же время мы отдаем себе отчет в том, что для
многих материалов восстановление отпечатка может продолжаться и спустя
некоторое время после полного разгружения за счет процессов диффузии и
перераспределения дефектов структуры.
Выполнение зависимости 1 не может означать
неограниченного увеличения параметров основания пирамидального отпечатка. То,
что восстановленный отпечаток должен быть меньше невосстановленного, дает
ограничительное условие: величина восстановленного параметра основания пирамиды
должна быть не больше его начальной величины. Начальной величиной в данном
случае называем величину для невосстановленного отпечатка в момент максимальной
нагрузки. Т.е.
h осн в≤ 3hmax tg 65,270 = 6,513 hmax
(2).
Даже с учетом этого ограничения при
восстановлении пирамидальных отпечатков быстрее изменяются параметры основания,
чем глубина.
Для исследования
интенсивности восстановления отпечатка
были
обработаны кривые индентирования [3, рис. 3.7 и 3.8], построенные при внедрении
пирамиды Берковича в образцы алюминиевых сплавов, и [3, рис. 1.23] – в образец
плавленого кварца. При этом определяли
(табл.1,2):
1.
максимальный разброс значений глубины внедрения индентора Δh
(экспериментальный);
2.
максимальный разброс значений высоты основания Δh осн (расчетный, в предположении, что угол при вершине от печатка
α= const);
3.
максимальный разброс
значений угла при вершине отпечатка Δα (расчетный, в предположении,
что h осн
= const);
4.отношение высоты основания
восстановленного отпечатка к высоте основания невосстановленного hоснв/hосн
(наименьшее значение, соответствующее наиболее полному восстановлению);
5.
примерную величину (по площали под кривой индентирования) пластической и
упругой составляющих работы деформации.
Полученные данные показывают, что
наибольший разброс значений глубины внедрения h наблюдается при испытании более
прочного материала,
Таблица 1. Результаты сравнения параметров восстановления отпечатков для
различных материалов при индентировании пирамидой
Берковича.
|
Материал |
Δh max, нм |
Δα max, 0 |
Δh осн, max, нм |
hоснв/hосн, min |
|
Алюминиевый сплав 6061-Т6511 |
0,87 |
1,89 |
5,666 |
0,915 |
|
Алюминиевый сплав 7075-Т6551 |
2,0 |
2,89 |
13,026 |
0,870 |
|
Плавленый кварц |
385 |
18,41 |
2507,5 |
0,379 |
сплава 7075-Т6551, на который действовали большей
нагрузкой. Восстановление отпечатка происходит более
интенсивно, т.е. больше разбросы величин высоты основания пирамиды и угла при
ее вершине, у алюминиевого сплава
7075-Т6551,
имеющего большую величину упругой составляющей работы деформации и отношения
величины упругой составляющей к величине пластической. Этот материал имеет
меньшую пластичность и большую прочность. Соответственно для него характерно и
меньшее значение hоснв/hосн.
Для плавленого кварца измеренные значения имеют другой
порядок из-за большего размера индентора, но закономерности восстановления
отпечатка те же: наибольшая твердость и прочность материала дают минимальное значение hоснв/hосн , и наибольшие значения
Δα, Аупр, Аупр/Апл. Этому утверждению соответствует и вид
восстановленных отпечатков в алюминиевых сплавах и в плавленом кварце [3,
рис.3.92, 3.93].
Паралельно определяли
пластическую и упругую составляющие работы деформации для тех же алюминиевых
сплавов при индентировании их коническим индентором с углом при вершине 600.
Для сплава 6061-Т6511
Таблица 2. Результаты сравнения работы деформации для различных материалов при
индентировании пирамидой Берковича.
|
Материал |
Апл, Нм·10-9 |
Аупр, Нм·10-9 |
Аупр /Апл |
Максимальная нагрузка, Р, Н |
|
Алюминиевый сплав 6061-Т6511 |
14,1 |
1,2 |
0,085 |
3,0 |
|
Алюминиевый сплав 7075-Т6551 |
64,32 |
8,64 |
0,134 |
9,8 |
|
Плавленый кварц |
7,4985 |
7,9984 |
1,0667 |
49,99·10-3 |
получили значения
Апл =18,46 ·10-9 Н·м, Аупр =1,04·10-9 Н·м, Аупр /Апл. =0,0563. Для сплава 7075-Т6551
получили значения
Апл =14,5·10-9 Н·м, Аупр =1,0·10-9 Н·м, Аупр /Апл. =0,0690. Это говорит о том, что смена
формы индентора приводит к изменению поля деформаций и тензора напряжений.
Поэтому сравнение работы деформации, полученной при деформировании инденторами
различной формы, неправомерно. Возможно сравнение только общей тенденции –
увеличение доли упругой деформации при индентировании более прочного и твердого
сплава.
Выводы
Интенсивность восстановления пирамидального
отпечатка при непрерывном индентировании характеризуется изменением угла при
его вершине, отношением восстановленного параметра основания к
невосстановленному. Эти показатели могут служить косвенными сравнительными
характеристиками прочности и твердости материала.
Более интенсивное
восстановление от печатка характерно для плавленого кварца, затем для
алюминиевого сплава 7075-Т6551.
Соответственно они имеют более высокие значения упругой составляющей работы
деформации и более высокие значения отношения упругой составляющей работы
деформации к пластической.
Увеличение глубины проникновения
индентора на может служить характеристикой материала, оно определяется
величиной максимальной загрузки и величиной индентора.
При деформировании инденторами
различной формы возможно сравнение только общей тенденции – увеличение доли
упругой деформации при индентировании более прочного и твердого материала.
Литература
1.
Булычев С.И., Алехин В.П. Испытание материалов непрерывным вдавливанием индентора /
С.И. Булычев, В.П. Алехин//М.:
Машиностроение, 1990. - 224 с.
2.
Марковец М.П. Определение механических свойств металла по твердости /
М.П.Марковец//М.: Машиностроение, 1979. -
191 с.
3.
Головин Ю.И. Введение в
нанотехнику /Ю.И.Головин//М.: Машиностроение,
2007. – 496 с.
4.
Зайцев В.И. Физика пластичности гидростатически сжатых кристаллов
/В.И.Зайцев//Киев.:Наукова думка, 1983. – 186 с.
5.Мощенок В.И. Современные методы
определения макро-, микро-, нанотвердости материалов. Инженерия поверхности и
реновация изделий: Материалы 9-й Международной научно-техн. конф., 25-29 мая
2009 г., г. Ялта.-Киев: АТМ Украины,
2009.с.139-140.
Аннотация. Рассмотрены особенности восстановления отпечатков
при кинетическом индентировании алюминиевых сплавов и плавленого кварца
инденторами различной формы. Показано, что интенсивность восстановления
определяется пластичностью материала и формой индентора
Ключевые слова: диаграмма индентирования, участок нагружения, участок разгружения,
поверхностная и объемная твердость,
отпечаток восстановленный и невосстановленный.
ВІДНОВЛЕННЯ ВІДБИТКУ В ПРОЦЕСІ КІНЕТИЧНОГО ВИМІРЮВАННЯ ТВЕРДОСТІ МАТЕРІАЛУ
В.І.Мощенок,
проф., к.т.н., зав. каф. ТМ та М,
Л.Л. Костіна,
доцент, к.т.н., каф. ТМ та М, ХНАДУ
Анотація. Розглянуті особливості традиційних
відновлення відбитків при кінетичному індентуванні алюмінієвих сплавів
та плавленого кварцу інденторами різної форми. Показано, що інтенсивність
відновлення визначається пластичністю матеріала та формою індентора.
Ключові слова: діаграма индентування, ділянка навантаження, ділянка розвантаження,
поверхнева та об’ємна твердість.
THE RENEWAL OF IMPRINT IN THE KINETIC DETERMINING OF MATERIALS HARDNESS
Moschnok
V., prof., as. pr., dir. kaf. ТМ and М,
Kostina
L., doc, as. pr., kaf. ТМ and М
Annotation. The features of renewal of
imprints are considered at kinetic indentation aluminium alloys and melt quartz different
form indentors. It is shown, that the intensivity of renewal is determined by
plasticity of material and form of indentor
Keywords: diagram of indentirovaniya, area of loading, area
of razgrugeniya, hardness superficial and by volume, imprint recovered and unrecovered.