Определение объёмной нанотвёрдости материалов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 620.178.151.6

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЪЁМНОЙ НАНОТВЁРДОСТИ МАТЕРИАЛОВ

В.И. Мощенок, профессор, к.т.н., Н.А. Лалазарова, доцент, к.т.н.,

А.А. Ляпин, ассистент, ХНАДУ

Аннотация. Исследованы зависимости восстановленной и невосстановленной объёмной нанотвёрдости материалов, измеряемой индентором Берковича, от нагрузки.

Ключевые слова: восстановленная и невосстановленная объёмная нанотвёрдость, индентор Берковича.

ВИЗНАЧЕННЯ ОБ,eМНОÏ НАНОТВЕРДОСТ1 МАТЕР1АЛ1В

В.1. Мощенок, професор, к.т.н., Н.О. Лалазарова, доцент, к.т.н.,

О.О. Ляшн, асистент, ХНАДУ

Анотаця. Досл1джено залежност1 в1дновленог i нев1дновленог об ’емног нанотвердост1 мате-р1ал1в, яку вимiрювали тдентором Берковича, вiд навантаження.

Ключов1 слова: вiдновлена та невiдновлена об ’емна нанотвердтть, тдентор Берковича. DETERMINATION OF VOLUMETRIC HARDNESS OF MATERIALS

V. Moschenok, Professor, Candidate of Technical Science, N. Lalazarova, Associate Professor, Candidate of Technical Science, A. Lyapin, assistent, KhNAHU

Abstracts. Recovered and non-recovered volumetric nanohardness of materials, measured by Berkovich’s indenter, has been explored as a function of load.

Key words: recovered and non-recovered volumetric nanohardness, Berkovich’s indenter.

Введение

Наиболее распространённым методом оценки свойств материалов в нанообъёмах является метод кинетического индентирования, который позволяет измерять нанотвёрдость материалов [1]. Процесс измерения нанотвёрдости связан со значительными трудностями. Поэтому совершенствование методов её определения позволит интенсифицировать процесс изучения свойств различных материалов в нанообъёмах.

Анализ публикаций

На кафедре технологии металлов и материаловедения ХНАДУ разработана методика определения поверхностной (универсальной) и объёмной (истинной) нанотвёрдости мате-

риалов [1]. Поверхностная нанотвёрдость определяется как отношение силы сопротивления внедрению индентора к площади погружённой в материал части индентора -трёхгранной пирамиды Берковича, а объёмная - как отношение силы сопротивления к объёму внедрённой части пирамиды Берковича [1].

Поверхностная нанотвердость в значительной степени зависит от формы индентора. [2]. При использовании шарика твердость в зависимости от нагрузки сначала растет, потом стабилизируется и монотонно уменьшается. При индентировании пирамидой твердость непрерывно снижается с увеличением нагрузки. Поэтому сравнивать результаты измерений нанотвёрдости невозможно. Чтобы получить аналогичный характер зависимости

нанотвердости от величины нагрузки для ин-денторов разной формы рекомендуется применять метод объемной нанотвердости [2].

Различают объемную нанотвердость восстановленную и невосстановленную.

Цель и постановка задачи

Целью настоящей работы было изучение зависимости восстановленной и невосстановленной объемной нанотвердости материалов от нагрузки при использовании в качестве индентора пирамиды Берковича с учетом радиуса при вершине.

Сравнение восстановленной и невосстановленной объёмной нанотвёрдости

Невосстановленную объемную нанотвердость для модифицированной пирамиды Берковича определяют по формуле [2]

(1)

(угол при вершине 65,03°)

где Р - сила сопротивления внедрению ин-дентора, мН; V — объем внедренной части индентора, мм3; к — глубина внедрения ин-дентора, нм.

Объем внедренной части индентора в данном случае определяется как объем абсолютно острой трехгранной пирамиды Берковича. Однако в реальности индентирование происходит не абсолютно острым индентором. Пирамида имеет радиус при вершине (рис. 1) и ее можно назвать сферопирамидальным индентором.

Для сферопирамидального индентора объем внедренной части определяют по формуле

Пб,ф.-пир.= Р /(2027 + 3(к —

Г

2,551

27(к — 2,551)2 +

212(к — 2,551) + 742 +

/27(к — 2,551)2 + 212 Щк — 2,551) + 402

где к — глубина внедрения индентора, нм.

(2)

Рис. 1. Фото рабочей части модифицированной алмазной пирамиды Берковича

В работе изучали зависимость восстановленной и невосстановленной объемной нанотвердости от нагрузки на примере индентиро-вания образцовой меры твердости 187НВ из стали У10.

По предложенным формулам (1) и (2) были проведены расчеты невосстановленной объемной нанотвердости. Восстановленную объемную нанотвердость определяли по кривой индентирования. Результаты расчетов приведены на рис. 2 (для малых нагрузок) и рис. 3 (для больших нагрузок).

Рис. 2. Зависимость восстановленной (2) и невосстановленной (1) объемной нанотвердости от нагрузки, Ртах = 2—4 мН, ктах = 60—85 нм

Как видно из приведенных графиков, зависимости восстановленной и невосстановленной объемной нанотвердости идентичны как в интервале малых нагрузок, так и больших. Значения восстановленной нанотвердости больше, чем невосстановленной. Это можно

объяснить различным соотношением упругой и пластической деформации, которое учитывается при оценке значений нанотвердости.

Рис. 3. Зависимость восстановленной (2) и невосстановленной (1) объемной нанотвердости от нагрузки, Ртах = 12—28 мН, ктах = 130—200 нм

При определении невосстановленной нанотвердости учитывается как пластическая, так и упругая составляющая деформации, что значительно повышает точность результатов оценки твердости. Расчет восстановленной нанотвердости ведется только с учетом пластической составляющей деформации, что и приводит к завышенным значениям твердости.

Выводы

1. Метод объемной нанотвердости позволяет сравнивать результаты измерений, получен-

ные с использованием инденторов различной геометрической формы.

2. Зависимости восстановленной и невосстановленной нанотвёрдости от нагрузки для всего интервала нагружения идентичны.

3. Отличия в величинах восстановленной и невосстановленной нанотвёрдости можно объяснить различным соотношением упругой и пластической деформации, которое учитывается при оценке значений нанотвёрдости.

4. Метод невосстановленной объёмной нанотвёрдости учитывает упругую и пластическую составляющие, что значительно повышает точность результатов оценки нанотвёрдости.

Литература

1. Лалазарова Н.А. Определение твёрдости

тонких покрытий / Н.А. Лалазарова // Вестник ХНАДУ. - 2009. - Вып. 46. -С.52-54.

2. Пятак А.И. Новые принципы оценки твер-

дости - массового контроля деталей машин / А.И. Пятак, В.И. Мощенок, И.В. Дощечкина, И.Е. Кухарева // Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета. -2008. - Вып. 43. - С. 119-122.

Рецензент: И.П. Гладкий, профессор, к.т.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 20 августа 2010 г.