Влияние размерного эффекта на определение твердости конструкционных материалов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК.620.178.151.6

ВЛИЯНИЕ РАЗМЕРНОГО ЭФФЕКТА НА ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

В.И. Мощенок, профессор, к.т.н., ХНАДУ

Аннотация. Анализом литературных данных и исследованием твердости образцов при различных величинах нагрузки установлен сложный и недостаточно изученный характер зависимости твердости от нагрузки. Предложена методика измерения твердости материалов автомобилестроения при разных нагрузках индентирования с учетом размерного эффекта.

Ключевые слова: твердость, индентирование, отпечаток, размерный эффект.

Введение

В автомобилестроении для оценки механических свойств деталей широко пользуются различными методами определения твердости (Роквелла, Бри-нелля, Виккерса и др.). Часто в случаях, при которых невозможно определить прочность металла по растяжению стандартных образцов, вырезанных из исследуемого металла, оценку прочностных свойств такого металла осуществляют по измерениям твердости

ложенной на индентор нагрузки. Как правило, такие зависимости имеют вид (рис. 1), [1]

ст. = к • НВ,

(1)

где ств - предел прочности при растяжении, МПа; к - безразмерный коэффициент, зависящий от исследуемого материала; НВ - твердость по Бри-неллю, МПа

Практически не используют для оценки прочностных свойств металла методы определения твердости по Роквеллу и Виккерсу, хотя и существуют определенные зависимости между числами твердости, полученными при вышеуказанных методах.

Несмотря на огромное количество различных методов и условий исследований при определении твердости, до сих пор остается неясным, является ли твердость уникальной, т.е. не зависящей от условий испытаний характеристикой металла, или твердость функционально зависит от различных параметров проведения испытаний? Ответ на этот вопрос породил в 1990-е годы дискуссию, которая продолжается и по настоящее время.

Анализ публикаций

Рядом авторов проведены исследования зависимости твердости по Виккерсу от величины, при-

Рис. 1. Зависимость твердости по Виккерсу от величины нагрузки в диапазоне 0-50 Н для алюминиевого образца ЛБ999

Аналогичные зависимости (рис. 2), но уже в более широком диапазоне исследуемых нагрузок, приведены и для других материалов, например, нитрида кремния [1].

Рис. 2. Зависимость твердости по Виккерсу от величины нагрузки (0 - 100 Н) для образца из нитрида кремния N0132 [1]

Как видно из приведенных графиков, твердость по Виккерсу зависит от нагрузки, и чем меньше нагрузка индентирования, тем больше твердость. Поскольку эти исследования проводились по методу восстановленного отпечатка, т. е. после ин-дентирования снималась приложенная нагрузка и по параметрам отпечатка определяли твердость, возможно эта зависимость появилась вследствие упругого восстановления отпечатка. Однако специально проведенными исследованиями твердости по методу восстановленного и невосстановленного отпечатка индентированием трехгранной пирамидой и при малых нагрузках (рис. 3) получены зависимости твердости от нагрузки [2]

1.6

1.4

О,

О

1.2

■§ 1.0 ас

0.8

0.6

• /

о 2

вВ д

_1___________I__________I_________I_________I_________I_________I_______I___________I________I__________I_________I_________I_________I_________I_________1_

0 10 20 30 40 50 60 70 80

1,ож1

Рис. 3. Зависимость твердости от величины нагрузки (0-80 мН) для монокристалла хлористого калия при индентировании трехгранной пирамидой: 1 - твердость по невосстановленному отпечатку; 2 - твердость по восстановленному отпечатку

Таким образом, независимо от метода индентиро-вания (восстановленный или невосстановленный отпечаток), а также от вида индентора и величин применяемых нагрузок, всегда обнаруживаются более высокие значения твердости при малых нагрузках и более низкие значения твердости при увеличении нагрузки индентирования. Такое явление получило в литературе название «размерный эффект при индентировании» [3].

Несмотря на существование десятков гипотез, претендующих на объяснение размерного эффекта при индентировании, ясным остается одно: размерный эффект при испытаниях на твердость существует и его нужно учитывать как при испытаниях на твердость, так и при оценке механических свойств материала по твердости [4].

Цель и постановка задачи

В данной статье поставлена цель проанализировать характер зависимости «твердость-нагрузка» и предложить универсальную характеристику для оценки твердости материала.

Влияние нагрузки на твердость при индентировании

Для достижения поставленной цели были усовершенствованы существующие способы определения твердости и изготовлен универсальный твердомер для их реализации (рис. 4).

Рис. 4. Внешний вид универсального твердомера:

1 - компьютер; 2 - микроскоп; 3 - блок регистрации нагрузки; 4 - индикатор регистрации глубины внедрения индентора; 5 - инден-тор; 6 - образец; 7 - предметный столик

В качестве образцов для исследования были изготовлены титановые образцы с различными прочностными характеристиками, полученными различными методами вырезки и химико-термической (ХТО) обработки.

Рис. 5. Зависимость деформации от нагрузки при растяжении титановых образцов, полученных различными методами обработки: 1 -вырезка вдоль оси прокатки листа + химическое травление в водном растворе плавиковой кислоты; 2 - вырезка под углом 45° к оси прокатки листа без ХТО; 3 - вырезка вдоль оси прокатки листа + отжиг при 850 °С в течение 3 ч

Твердость полученных образцов определяли согласно схемы индентирования, представленной на рис. 6, по формуле

Р

НУ = 0,189—-

а2

(2)

где Р - сила сопротивления внедрению инден-тора, Н; а - диагональ восстановленного отпечатка, мм.

Р

d

Рис. 6. Схема измерения твердости по Виккерсу методом восстановленного отпечатка: Р -сила сопротивления внедрению индентора, Н; а - диагональ отпечатка, мм

Рассчитанные по формуле (2) значения твердости по Виккерсу при различных нагрузках по восстановленным отпечаткам (рис. 7-9) для образцов 1-3 представлены на рис. 10-12.

е ж з

Рис. 7. Фотографии (х160) восстановленных отпечатков при индентировании образца №1 при различных нагрузках: а - Р = 17 H; б -

Р = 38 H; в - Р = 117 H; г - Р = 123 H; д -Р = 211 H; е - Р = 301 H; ж - Р = 603 H; з -Р = 795 H

е ж

Рис. 8. Фотографии (х160) восстановленных отпечатков при индентировании образца №2 при различных нагрузках: а - Р = 8 H; б -

Р = 79 H; в - Р = 134 H; г - Р = 163 H; д -Р = 315 H; е - Р = 600 H; ж - Р = 880 H

а б в г д

Рис. 9. Фотографии (х160) восстановленных отпечатков при индентировании образца №3 при различных нагрузках: а - Р = 9 H; б -Р = 32 H; в - Р = 77 H; г - Р = 98 H; д -Р = 176 H

HV,

H/мм2

Р, H

Рис. 10. Зависимость твердости от нагрузки при индентировании титанового образца №1

HV,

H/мм2

Р, H

Рис. 11. Зависимость твердости от нагрузки при индентировании титанового образца №2

HV,

H/мм2

Р, H

Рис. 12. Зависимость твердости от нагрузки при индентировании титанового образца №3

Как следует из рис. 10-12 твердость по Виккерсу, определяемая по методу восстановленного отпечатка, для титановых образцов в значительной степени зависит от величины приложенной нагрузки при индентировании и носит волновой характер при нагрузках индентирования до 100 H (образец №1), до 300 H (образец №2), до 800 H (образец №3).

Выводы

Hаличие размерного эффекта при измерениях твердости при различных нагрузках индентиро-вания обязывает для оценки твердости материала строить зависимость «твердость-нагрузка» в широком диапазоне нагрузок и по этой зависимости судить о твердости исследуемого материала.

Следует рекомендовать исследователям пересмотреть полученные ранее результаты известными методами определения твердости и уточнить их с учетом наличия размерного эффекта.

Для оценки прочностных свойств деталей машин нужно измерять твердость поверхности детали с такими нагрузками и такими инденторами, которые характерны для конкретных условий работы деталей и допустимых величин поверхностного износа по глубине.

Литература

1. Quinn J. B., Quinn G. D. Indentation brittleness of

ceramics: a fresh approach. Journal of materials science 32, 1997. - Р. 4331-4346.

2. Сойфер Я.М., Вердян А. Исследование ло-

кальных механических свойств монокристаллов хлориистого калия методом атомносиловой микроскопии // Физика твердого тела. - 2003. - Том 45. - Вып.9. - С.1621-1625.

3. Gubicza J., Rozlosnik N., Juhasz A. Comment on

«Indentation size effect: reality or artefact?» Journal of materials science letters 16, 1997. -Р.1904-1905.

4. Саралидзе З.К., Галусташвили М.В., Ди-

ряев Д.Г. Особенности деформации щелочно-галоидных кристаллов под действием сосредоточенной нагрузки // Физика твердого тела. - 1999. - Том 41. - Вып.11. - С. 19992003.

Рецензент: А.И. Пятак, профессор, д.ф.-м.н., XHAfly.

Статья поступила в редакцию 17 января 2007 г.