Определение диаграмм деформационного упрочнения поверхностных слоев металлических материалов по результатам испытаний на вдавливание и царапание индентором Берковича
Диссертация
В настоящее время созданы наномеханические испытательные системы, основанные на использовании принципа зондовой сканирующей микроскопии, которые позволяют осуществлять программируемое силовое воздействие на поверхность исследуемого материала с нанометровым разрешением. В качестве зонда обычно используются острые пирамидальные алмазные инденторы Бер-ковича. При этом отслеживаются нагрузка… Читать ещё >
Содержание
- 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДАМИ ИЗМЕРЕНИЯ ТВЕРДОСТИ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)
- 1. 1. Развитие методов определения твердости
- 1. 1. 1. Методы вдавливания
- 1. 1. 2. Царапание
- 1. 2. Определение диаграммы деформационного упрочнения по результатам исследования твердости
- 1. 3. Особенности исследования материалов на зондовых наномеханических испытательных системах и инструментированных микротвердомерах
- 1. 4. Постановка цели и задач исследования
- 1. 1. Развитие методов определения твердости
- 2. АППАРАТУРА И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ
- 2. 1. Приборы и методы микро- и нано механических исследований
- 2. 2. Подготовка поверхности образцов перед наномеханическими испытаниями
- 2. 3. Методика моделирования с использованием универсальной программной системы конечно-элементного анализа
- 2. 3. 1. Основные уравнения и модели материалов
- 2. 3. 2. Конечные элементы
- 2. 3. 3. Опции вычислительной постановки
- 3. 1. Моделирование испытаний
- 3. 1. 1. Вдавливание индентора
- 3. 1. 2. Царапание
- 3. 2. Методика определения диаграмм деформационного упрочнения
- 3. 3. Программная реализация методики
- 4. 1. Методика проведения измерений
- 4. 2. Медь МОб и армко-железо
- 4. 3. Сварное соединение листов из сплава 0142ОТ
- 4. 4. Влияние содержания алюминия на прочностные свойства сплава Ре-Сг-А
- 4. 5. Сопоставление полученных результатов с расчетами по формуле Д. Тейбора
Список литературы
- Неразрушающий контроль. В 5 кн. Кн. 1: Общие вопросы. Контроль проникающими веществами: Практ. пособие / А. К. Гурвич, И. Н. Ермолов, С. Г. Сажин- Под ред. В. В. Сухорукова. М.: Высш. шк., 1992. — 242 с.
- Михеев М.Н., Горкунов Э. С. Магнитные методы структурного анализа и неразрушающего контроля. М.: Наука, 1993. — 250 с.
- Испытания металлов / Сборник статей под ред. К. Нитцше, пер. с нем. М.: Металлургия, 1967. — 452 с.
- Григорович В.К. Твердость и микротвердость металлов. М.: Наука, 1976.-230 с.
- Методы испытания на микротвердость. Приборы / Под ред. Хрущова М. М. М.: Наука, 1965. — 264 с.
- Гудков А. А. Славский Ю.И. Методы измерения твердости металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1982. — 107 с.
- Матюнин В.М. Методы твердости в диагностики материалов. Состояние, проблемы и перспективы // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2004. — Т. 70. — № 6. — С. 37−42.
- Федосов С.А., Пешек JI. Определение механических свойств материалов микроиндентированием: Современные зарубежные методики. М.: Физический факультет МГУ, 2004. 100 с.
- ГОСТ 9012–59 Металлы. Метод испытаний. Измерение твердости по Бринеллю.
- Smith R.L., Sandland G.E. An accurate method of determining the hardness of metals, with particular reference to those of a degree of hardness // Proc. of the Inst. Mech. Eng. 1922. — V.l. — P. 623−641.
- ГОСТ 9013–59 Металлы. Метод испытаний. Измерение твердости по Роквеллу.
- Grodzinski P. An apparatus for the indentation data continuous recording //Plastics. 1953. — V. l8. — P. 312−314.
- Булычев С.И., Алехин В. П., Шоршоров М. Х. Терновский А.П., Шнырев Г. Д. Определения модуля Юнга по диаграмме вдавливания индентора // Заводская лаборатория. 1975. — Т. 41. — № 9. с. 1137−1140.
- Алехин В.П., Булычев С. И. Расчет механических характеристик при испытании на вдавливание с учетом упругих деформаций // Физика и химия обработки материалов. 1978. — № 3. — С. 134−138.
- Булычев С.И., Алехин В. П. Метод кинетической твердости и микротвердости в испытаниях вдавливанием индентором // Заводская лаборатория, 1987, № 11. С. 76−79.
- Булычев С.И., Алехин В. П. Испытание материалов непрерывным вдавливанием индентора. М.: Машиностроение, 1990. — 224 с.
- Oliver W.C., Pharr G.M. An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load-displacement sensing indentation experiments // Mater.Res. 1992. — V. 7. — № 6. — P. 1564−1583.
- 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: ATM Украины, 2009. С. 139−140.
- Головин Ю.И. Наноиндентирование и его возможности. М.: Машиностроение, 2009. — 312 с.
- Loubet J.L., Georges L.M., Meille G. Vickers indentation curves of elasto-plastic materials в книге Microindentation techniques in materials science and engineering // Под ред. Blau P.J., Lawn B.R. ASTM, Philadelphia — 1986. -C. 72−89
- Hainsworth S.V., Chandler H.W., Page T.F. Analysis of nanoindentation load-displacement loading curves // J. Mater. Res. 1996. — № 11. — C. 1987−1995.
- Cheng Y.-T., Cheng C.-M. Further analysis of indentation loading curves: Effects of tip rounding on mechanical property measurements // J. Mater. Res. — 1998. — № 13. — C. 1059−1064.
- Sakai M. Energy principle of the indentation-induced inelastic surface deformation and hardness of brittle materials // Acta Metal. Mater. 1993. — № 41. -C. 1751−1758.
- Gubisza J.3 Juhasz A., Lendvai J. A new method for hardness determination from depth sensing indentation tests // J. Mater. Res. 1996. — № 11. -C. 2964−2967.
- Cheng Y.-T., Cheng C.-M. Relationships between hardness, elastic modulus, and the work of indentation // Appl. Phys. Lett. 1998. — V. 73. — № 5. -C. 614−615
- Tabor D. The hardness of metals. Clarendon Press, Oxford, 1951. -171 p.
- Склерометрия. Теория, методы, испытания: Сб. науч. трудов / Под. ред. М. М. Хрущева. 1961. — 230 с.
- Марковец М.П. Определение механических свойств металлов по твердости. — М.: Машиностроение, 1979. 191 с.
- Ибатуллин И. Д. Кинетика усталостной повреждаемости и разрушения поверхностных слоев. — Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2008. -387 с.
- Давиденков Н.Н. Некоторые проблемы механики материалов. Л.: Лениздат, 1943.-152 с.
- Матюнин В.М., Волков П. В. Бусуркин Д.В Испытания материалов царапанием // Технология металлов. 2000. № 2. С. 27−30.
- Матюнин В.М. Методы и средства безобразцовой экспресс-оценки механических свойств конструкционных материалов. М.: Изд-во МЭИ, 2001. -94 с.
- Jardret V., Zahouani H., Loubet J.L., Mathia T.G. Understanding and quantification of elastic and plastic deformation during a scratch test // Wear. 1998. -№ 218.-P. 8−14.
- Матюнин B.M., Волков П. В., Сайдахмедов P.X. и др. Определение механических свойств и адгезионной прочности ионно-плазменных покрытий склерометрическим методом // МИТОМ. 2002. — № 3. — С. 36−39.
- Белл Дж.Ф. Экспериментальные основы механики деформируемых твердых тел. М.: ГРФМЛ, 1984. — 600 с
- Панин В.Е., Егорушкин В. Е., Панин А.В, Физическая мезомеханика деформируемого твердого тела как многоуровневой системы. I. Физические основы многоуровневого подхода // Физ. мезомех. — 2006. -Т. 9. — № 3. -С. 9−22.
- Giannakopoulos А.Е., Suresh S. Determination of elastoplastic properties by instrumented sharp indentation // Scripta materialia. 1999. — V. 40, -№ 10.-P. 1191−1198
- Venkatesh T.A., Van Vliet K.J., Giannakopoulos A.E., Suresh S. Determination of elasto-plastic properties by instrumented sharp indentation: guidelines for property extraction // Scripta materialia. 2000. — V. 42. — № 9. -P. 833−839.
- Dao M., Chollacoop N., Van Vliet K.J., Venkatesh T.A., Suresh S. Computational modeling of the forward and reverse problems in instrumented sharp indentation // Acta materialia. 2001. — V. 49. — P. 3899−3918.
- Bucaille J.L., Stauss S., Felder E., Michler J. Determination of plastic properties of metals by instrumented indentation using different sharp indenters // Acta materialia.-2003.-V. 51.-P. 1663−1678.
- Chollacoop N., Dao M., Suresh S. Depth-sensing instrumented indentation with dual sharp indenters I I Acta materialia. 2003. — V. 51. -P. 3713−3729.
- Ogasawara N., Chiba N., Xi Chen. Measuring the plastic properties of bulk materials by single indentation test // Scripta materialia. 2006. — V. 54. -P. 65−70.
- Смирнов C.B., Швейкин В. П. Метод определения диаграмм упрочнения отдельных структурных составляющих в многокомпонентных системах // Физика металлов и металловедение. — 1995. Т. 80. — № 1. -С. 145−151.
- Бакиров М.Б., Зайцев М. А., Фролов И. В. Математическое моделирование процесса вдавливания сферы в упругопластическое полупространство // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2001. -Т 67.-№ 1.С. 37−47.
- Коновалов Д.А., Смирнов С. В., Вичужанин Д. И. Определение сопротивления деформации по результатам вдавливания конических инденторов // Известия вузов. Черная металлургия. 2007, — № 3. — С. 69−70.
- Смирнов С.В., Швейкин В. П. Исследование деформационного упрочнения многофазных материалов на микроуровне // Физика металлов и металловедение. 1995. — Т. 80. -№ 1. — С. 152−159.
- Смирнов С.В., Смирнов В. К., Солошенко А. Н., Швейкин В.П.
- Определение коэффициентов в функциональной зависимости сопротивления деформации по результатам вдавливания конического индентора // Металлы. -1998.-№ 6.-С 91−94.
- Смирнов С.В., Смирнов В. К., Солошенко А. Н., Швейкин В. П. Определение сопротивления деформации по результатам внедрения конического индентора // Кузнечно-штамповочное производство. 2000. — № 8. — С. 3−6.
- Giannakopoulos А.Е., Larsson P.L. Analysis of Vickers indentation // Int. J. Solids Struct. 1994. — № 31. — P. 2679−2708.
- Zeng К., Soderlund E., Giannakopoulos A.E., Rowcliffe D.J. Controlled indentation: a general approach to determine mechanical properties of brittle materials // Acta materialia. 1996. — V. 44. — № 3. — P. 1127−1141.
- Zeng K., Chiu C.-H. An analysis of load-penetration curves from instrumented indentation // Acta materialia. 2001. — V. 49. — P. 3539−3551.
- Bolshakov A., Pharr G.M. Influences of pileup on the measurement of mechanical properties by load and depth sensing indentation techniques // J. Mater. Res.-1998.-V. 13.-№ 4.-P. 1049−1058.
- Cheng Y.T., Cheng C.M. Scaling approach to conical indentation in elastic-plastic solids with work hardening // J. Appl. Phys. 1998. — V. 84. — № 3. -P. 1284−1291.
- Cheng Y., Cheng C. Can stress-strain relationships be obtained from indentation curves using conical and pyramidal indenters? // J. Mater. Res. 1999. — V. 14. — № 9. — P. 3493−3496.
- Larsson P-L. Investigation of sharp contact at rigid-plastic conditions // Int. J. Mech. Sci. 2001. — № 43. — P. 895−920.
- Carlsson S., Larsson P.-L. On the determination of residual stress and strain fields by sharp indentation testing. Part I: theoretical and numerical analysis // Acta Materialia. — 2001. — V. 49. — № 12. — P. 2179−2191.
- Васаускас C.C., Жидонис В. Ю. Диаграмма твердости и её применение для определения характеристики прочности металлов // Заводская лаборатория. 1962. — № 5. — С. 605−608.
- Atkins A.G., Tabor D. Plastic indentation in metals with cones // J. Mech. Phys. Solids. 1965.-№ 13.-P. 149−164.
- Cheng Y.-T., Li Z. Hardness obtained from conical indentation with various cone angles // J. Mater. Res. 2000. — V. 15. — № 12. — P 2830−2835.
- Джонсон К. Механика контактного взаимодействия. Пер. с англ. -М.: Мир, 1985.-510 с.
- Koeppel B.J., Subhash G. Characteristics of residual plastic zone under static and dynamic Vickers indentations // Wear. 1999. — T. 224. — № 1. -C. 56−67.
- Коновалов Д.А., Смирнов C.B., Коновалов A.B. Определение кривых деформационного упрочнения металлов по результатам вдавливания конических инденторов // Дефектоскопия. 2008. — № 12. — С. 55−63.
- Марковец М.П. Упрощенные методы определения механических свойств по твердости // Заводская лаборатория. 1954. — № 8. — С. 963−969.
- Марковец М.П. О методике определения характеристик пластичности безобразцовым методом // Заводская лаборатория. 1963. — Т. 19. -№ 8. — С. 978−980.
- Смирнов С.В., Пугачева Н. Б., Тропотов А. В., Солошенко А. Н. Сопротивление деформации структурных составляющих сложнолегированной латуни // Физика металлов и металловедение. 2001. — Т. 91. — № 2. -С. 106−111.
- Смирнов С.В., Пугачева Н. Б., Мясникова М. В., Матафонов П. П., Полковников Т. В. Микромеханика разрушения и деформации латуни // Физическая механика. Спец. выпуск. 4.1. 2004. — № 7. — С. 165−168.
- Левашов Е.А. Обеспечение единства измерений физико-механических и трибологических свойств наноструктурированных поверхностей // Нанометр. Нанотехнологическое сообщество, 2009. URL: http://nanometer.ru
- Qin J., Huang Y., Hwang K.C., Song J., Pharr G.M.The effect of indenter angle on the microindentation hardness // Acta materialia. 2007. — V. 55. -№ 18.-P. 6127−6132.
- Pelletier U H., Krier J., Cornet A., Mille P. Limits of using bilinear stress-strain curve for finite element modeling of nanoindentation response on bulk materials // Thin Solid Films. 2000. — V. 379. — P. 147−155.
- Gouldstone A., Koh H.-J., Zeng K.-Y. Discrete and continuous deformation during nanoindetation of thin films // Acta materialia. 2000. — V. 48. -P. 2277−2295.
- Ma D., Zhang Т., Ong C.W. Evaluation of the effectiveness of representative method for determining Young’s modulus and hardness from instrumented indetation date // J. Mater. Res. 2006. — V. 21. — № 1. — P. 225−233.
- Cheng Y., Cheng C. Scaling dimensional analyses, and indentation measurement // Mater. Sci. Eng. 2004. — R. 44. — P. 91−149.
- Нохрин A. B, Макаров И. М. Исследование зеренной структуры нано- и микрокристаллических металлов методом атомно-силовой микроскопии // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2002. — Т 68. -№ 1.-С. 70−79.
- Головин Ю.И. Введение в нанотехнику. М.: Машиностроение. -2007.-496 с. 78. lost, A.- Bigot, R. Indentation size effect: Reality or artefact // J. Mater. Sci. 1996. — № 13. — P. 3573−3577.
- Sanin O., Uzun O., Kolemen U., Duzgun В., Usar N. Indentation size effects and microhardness study of P~Sn single crystals // Chinese Physics Letters. 2005. — V. 22. — № 12. — P. 3137−3140.
- Nix W.D., Gao H. Indentation size effects in crystalline materials: A law for strain gradient plasticity. // J. Mech. Phys. Solids. 1998. — V. 46. — № 3. -P. 411−425.
- Конева H.A., Козлов Э. В. Структура и механические свойства нанополикристаллов // Перспективные материалы. 2009. — Т. 3. — С. 55−140.
- Fleck N.A., Hatchinson J.W. A phenomenological theory for strain gradient effects in plasticity // J. Mech. Phys. Solids. 1993. — V. 41. -P. 1825−1857.
- Li H., Bradt R.C. The microhardness indentation load size effect in rutile and cassiterite single crystals // J. Mater. Sci. 1993. — V. 28. — № 4. — P. 917−926.
- Atkinson M. Origin of the size effect in indentation of metals // Int. J. Mech. Sci. 1991. — V. 33. — № 10. — P. 843−850.
- Robertson C.F., Fivel M. A Study of the Submicron Indent-Induced plastic deformation // J. Mater. Res. 1999. — V. 14. — № 6. — P. 2251−2258.
- Fivel M.C., Robertson C.3 Canova G.R., Boulanger L. Three dimensional modeling of indent-induced plastic zone at a mesoscale // Acta Materialia. 1998.- V. 46. № 17. — P. 6183−6194.
- Bahr D.F., Wilson D.E., Crowson D.A. Energy considerations regarding yield points during indentation // J. Mater. Res. 1999. — V. 14. — № 6. -P. 2269−2275.
- Панин B.E., Лихачев B.A., Гриняев Ю. В. Структурные уровни деформации твердых тел. Новосибирск: Наука, 1985. — 229 с.
- Панин В.Е., Гриняев Ю. В., Данилов В. И. и др. Структурные уровни пластической деформации и разрушения. Новосибирск: Наука, 1990. — 255с.
- Панченко Е.В., Скаков Ю. А., Кример Б. И. Лаборатория металлографии. М.: Металлургия, 1965. — 439 с.
- Баранова Л.В., Демина Э. Л. Металлографическое травление металлов и сплавов: Справ. Изд. — М.: Металлургия, 1986. — 256 с.
- ANSYS в руках инженера: Практическое руководство. Изд. 2-е, испр. М.: Едиториал УРСС, 2004. — 272 с.
- Басов К.A. ANSYS: справочник пользователя. М.: ДМК Пресс, 2005.-640 с.
- Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация: Пер. с англ.-М.: Мир, 1986.-е. 318.
- APDL Programmer’s Guide. ANSYS Release 9.0 Documentation. Canonsburg: ANSYS Inc.
- Tang K.C., Faulkner A., Schwarzer N., Arnell R.D., Richter F. Comparison between an elastic-perfectly Plastic F.E.M. and a purely elastic analytical model for a spherical indenter on a layered substrate // Thin Solid Films. -1997.-№ 30.-P. 177−188.
- Subhash G., Zhang W. Investigation of the overall friction coefficient in single-pass scratch test // Wear. 2002. — № 252. — P. 123−134.
- Qin J., Huang Y., Hwang K.C., Song J., Pharr G.M. The effect of indenter angle on the microindentation hardness // Acta Materialia. 2007. — V. 55. -P. 6127−6132.
- ГОСТ 25.503−97 Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Метод испытания на сжатие.
- Сорокин В.Г., Волосникова А. В., Вяткин С. А. и др. Марочник сталей и сплавов / Под общ. ред. В. Г. Сорокина. М.: Машиностроение, 1989. — 640 с.
- Li M., Chen W.M., Liang N.-G., Wang L.D. A numerical study if indentation using indenters of different geometry // J. Mater. Res. 2004. — V. 19.- № 1. P. 73−78.
- Ma D., Zhang Т., Ong C.W. Evaluation of the effectiveness of representative method for determining Young’s modulus and hardness from instrumented indetation date // J. Mater. Res. 2006. — V. 21. — № 1. — P. 225−233.
- Wang L., Roklin S.I. On determination of materials parameters from loading and unloading responses in nanoindentation with a single sharp indenter // J. Mater. Res. 2006. — V. 21. — № 4. — P. 995−1011.
- Sreeranganathan A., Gokhale A., Tamirisakandala S. Determination of local constitute properties of titanium alloy matrix in boron-modified titanium alloys using spherical indentation // Scripta Mater. 2008. — V. 58. — № 1. — P. 114−117.
- Машиностроение. Энциклопедический справочник. В 15 томах. Т. 3. / Под ред. Чудакова Е. А. Изд.: МАШГИЗ, 1947. — 712 с.
- Пугачева Н.Б., Смирнов С. В., Антенорова Н. П., Мясникова М. В., Экземплярова Е. О. Неоднородность структуры и распределения нормального модуля упругости в сварном алюминиевом соединении // Вестник УГТУ-УПИ.- 2006. № 11.-С. 134−139.
- Булычев СИ., Алехин В. П., Шоршоров М. Х. и др. Определение модуля Юнга по диаграмме вдавливания индентора // Заводская лаборатория. -1975.-№ 9.-С. 79−83.
- Колачев Б.А., Ливанов В. А., Елагин В. И. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1981. -416 с.
- Косицын С.В., Пугачёва Н. Б. Повышение жаростойкости металлических блоков-носителей катализатора методом газофазного алитирования // Кинетика и катализ. 1998. Т. 39. — № 5. — С. 707−712.
- Корнилов И.И. Железные сплавы. Сплавы железо-хром-алюминий. Т. 2. Л.: Издательство АН СССР, 1945. — 416 с.
- Диаграммы состояния двойных и многокомпонентных систем на основе железа: Справ, изд. / Банных О. А., Будберг П. Б., Алисова С. П. и др.- М.: Металлургия, 1986. 440 с.
- Кубашевски.О. Диаграммы состояния двойных систем на основе железа / Справ, изд. Пер. с англ. М.: Металлургия, 1985. — 184 с.
- Пугачева Н.Б., Экземплярова Е. О., Задворкин С. М. Влияние алюминия на структуру и физические свойства сплавов Fe-Cr-Al // Металлы.- 2006. № 1. — С.68−75.
- Кроха В.А. Упрочнение металлов при холодной пластической деформации: Справочник. -М.: Машиностроение, 1980. — 157 с.
- Milman Yu.V., Galanov В.A., Chugunova S.I. Plasticity characteristic obtained through hardness measurement. Overview 107 // Acta metal. Mater. 1993.- V.41. -№ 9. P. 2523−2532.
- Kramer D.E., Yoder K.B., Gerberich W.W. Surface constrained plasticity: oxideruptureand the yield point process // Phil. Mag. A. 2001. — V.81.- № 8. P. 2033−2058.
- Van Vliet K.J., Li J., Zhu Т., Yip S., Suresh S. Quantifying theearly stage of plasticity through nanoscale experiments and simulation // Phys. Rev. B.- 2003. V. 67. — P. 104 105−104 115.
- Minor A.M., Lilleodden E.T., Stach E.A., Morris J.W. Direct observations of incipient plasticity during nanoindentation of A1 // J. Mater. Res. -2004.-V. 19.-№ l.-P. 176−182.документ об использовании результатов работы1. УТВЕРЖДАЮ"результатов НИР
- Настоящим актом подтверждается, что результаты работы
- Вид и характеристики результатов:
- Модель процесса вдавливания и царапания упруго-пластического материала.
- Методика определения диаграммы сопротивления деформации по результатом наноскретч-теста индентором Берковича, основанная на использовании разработанной модели.
- Характер использования: В программном обеспечении сканирующего нанотвердомера «Наноскан-ЗО».
- Настоящее заключение основанием для финансовых или иных претензий не является.
- От разработчиков: От предприятия:
- Руководитель работы Зав. отделомГ1. Ответственный исполнитель
- С.В. Смирнов К. В. Гоголинский1. Е.О. Экземплярова1. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВа)33О.882. л пЗ 42 ^-124.41 361."**ле,.'зо.оо