Нанотвёрдость - современный метод диагностики качества поверхностного слоя изделий Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ

УДК 620.17 DOI: 10.30977/BUL.2219-5548.2018.82.0.114

НАНОТВЕРД1СТЬ - СУЧАСНИЙ МЕТОД Д1АГНОСТУВАННЯ ЯКОСТ1 ПОВЕРХНЕВОГО ШАРУ ВИРОБ1В

Мощенок В.1., Лалазарова Н.О., Кухарева I.C., Пон1каровська С.В., ХНАДУ

Анотац1я. Проведенi досл1дження поверхневог та об'емног нанотвердостi матер1ал1в без-перервним тдентуванням показали, що ц методики можуть використовуватися як для пруж-них, так i пластичних матерiалiв, вiдрiзняються значною простотою, оскыьки для розрахунку використовують глибину втискування тдентора, яка в-^^^^е^ься приладом. При визначент нанотвердостi спостериаеться розмiрний ефект - зi збтьшенням навантаження (глибини втискування Шдентора) величина нанотвердостi спочатку зменшуеться, а пот^м - стабшзу-еться.

Ключов1 слова: поверхнева та об'емна нанотверд^сть, глибина втискування тдептора, розмiрний ефект.

Вступ

Для сучасного машинобудування в наш час характерним е ускладнення конструкцш i умов експлуатацп, що зумовлюе бшьш висок вимоги до рiвня фiзико-механiчних влас-тивостей матерiалiв виробiв. Зпдно i3 сучас-ними уявленнями значну роль у деформацш-нiй поведiнцi виробу i формуваннi його влас-тивостей в цшому вiдiграе стан поверхш. Новi iнновацiйнi технологiï дозволяють отримувати робочий шар мiкро- або навггь нанорозмiрноï товщини з унiкальними функ-цiональними властивостями. Найбiльш точ-ним, а iнодi i единим, способом дiагносту-вання якостi поверхневих шарiв, оцiнки вла-стивостей матерiалiв у нанооб'емах, плiвок е вимiрювання нанотвердосп методом кшети-чного iндентування, що дозволяе вивчати процеси пружноï та пластичноï деформацiï в дуже малих об'емах, визначати нанотвер-дють, ряд мехашчних, трибологiчних та iн-ших службових характеристик.

Анал1з публжацш

Метод кiнетичного iндентування викорис-товують для вивчення властивостей як плас-тичних, так i крихких матерiалiв (керамша, скло, карбщи, штрнди, бориди та iн.) [1, 2]. Використання нанотвердостi все бiльше по-ширюеться в рiзних галузях науки та техшки, запропонованi рiзноманiтнi прилади i методики для ïï вимiрювання i розрахунку, що викликае певш труднощi ïï визначення та штерпретацп результатiв. Нанотвердiсть для даного матерiалу не е константою, ïï значен-ня залежать вiд умов випробувань. При ви-

значеннi нанотвердостi мае мюце розмiрний ефект. Тобто юнуе проблема визначення на-нотвердостi матерiалiв, яка потребуе вирь шення.

Мета i постановка завдання

Метою до^дження е вдосконалення методики визначення нанотвердосп, розмiрно-го ефекту, що дозволяе з високою точнiстю i бшьш ефективно ощнювати якiсть матерiалiв у нанооб'емах. Для досягнення цiеï мети були поставленi наступи завдання: 1) провести аналiз методик визначення нанотвердосп матерiалiв; 2) вдосконалити методику визначення нанотвердостi; 3) дослщити розмiрний ефект при вимiрюваннi нанотвердостi.

Визначення нанотвердостi матерiалiв

У робот в якостi матерiалу було викорис-тано сталеву зразкову мiру твердостi, яка мае твердiсть 439 HBW. Нанотвердiсть вимiрю-вали на приладi Nano Test (Micro Materials Ltd., Ангая) (рис. 1).

Рис. 1. Зовшшнш вигляд приладу Nano Test з горизонтальним розташуванням шпинделя та iндентора: 1 - монггор; 2 - блок уп-равлiння; 3 - нанотестер

За результатами вимiрювань на нанотвер-домiрi виконуються розрахунки за програ-мою «Nano Test Materials Testing Platform» -нанотвердють визначаеться за методикою Олiвера i Фарра ^Ф) (вона вiдповiдае твер-достi щдентування згiдно ISO 14577-4:2007)

[3].

В рамках методики ОiФ [4] твердють H зразка визначаеться за формулою

F

H _ max

(1)

Рис. 2. Дiаграма iндентування

де Ас — площа проекцл поверхт контакту iндентора з матерiалом; Fmax — максимальне навантаження, Н.

Ас визначаеться iз заздалегiдь задано! фу-нкци форми iндентора A (h) при тдстановщ розрахованого значения контактно! глибини

he

Ac _ A (hc). (2)

Функщя форми наконечника — це залеж-тсть площi перерiзу iидентора A вщ вiдстаиi уздовж осi iидентора h. В рамках даного методу функщя A(h) передбачаеться вщомою заздалегiдь.

Описана методика на сьогодтшнш день е найбiльш поширеною для визначення нано-твердостi й модуля пружност [3]. Однак при використант методики ОiФ не враховуеться пружна складова деформацл i складним е розрахунок контактно! глибини, тому що прилад вимiрюе повну глибину втискування iидеигора hmax, а для розрахунку необхiдно знати величину прогину на краю вщбитка.

Для абсолютно пружних матерiалiв визначення нанотвердостi за даною методикою досить складне або пов'язане з великими по-хибками.

Для розрахунку нанотвердост в робот! нами було використано криву iидентувания, яку отримали за програмою «Nano Test Materials Testing Platform» (рис. 2). За допо-могою ще! програми було також надано криву iидентувания та ряд iнших характеристик в числових значеннях у виглядi таблицу.

В якостi iидентора використовували три-кутну пiрамiду Берковича з а=65,03 ° (рис. 3).

Для усунення недолтв та ускладнень методики ОiФ в роботi виконанi розрахунки поверхнево! нанотвердостi, яка за своею сут-тю вiдповiдае твердостi за Мартенсом [3]

Рис. 3. Схема трамщи Берковича F

ггг-шд _ НБпов _

(3)

де Sn

площа бiчно!' поверхнi втиснуто! в

2

матерiал частини iидентора, мм2.

Для трикутно! niрамiди (а=65,03 °) формула мае вигляд

HE,

65,03

F

F

S

бок

26,4342 • h2

Берковича

, H/мм2. (4)

Для розрахунку нанотвердост використовували глибину втискування iидентора, яку вим1рюе прилад: глибину прогину на краю вiдбитка i глибину контакту iидентора !з по-верхнею вщбитка.

Значення навантаження та глибини втис-кування iидеитора, отримат у програмi «Nano Test Materials Testing Platform», вико-ристовували для розрахунку поверхнево! нанотвердостi в програмi Excel. За результатами розрахунюв отримали залежтсть твер-дост вщ навантаження при iидентуваннi по-верхневого шару сталево! м!ри твердостi в штервал навантаження-глибина 5,050 мN-241,03 нм (рис. 4).

3i збшьшенням навантаження поверхнева твердiсть зменшуеться (для iидеитора у ви-

c

гляд1 трашди), для ¡ндснтора у вигляд1 кульки - буде збшыпуватися [1].

40000

35000

30000

1= 25000

Е

20000

01

о

с 15000

X

10000

5000

3 4 Г, тМ

вищуе точшсть та ефектившсть II визначен-ня.

р, мн

Рис. 4. Залежшсть поверхнево! нанотвердосп вщ навантаження для трашди Берковича

Тобто мае мюце розм1рний ефект. Тому пор1внювати результата вишрювань поверхнево! нанотвсрдосп неможливо. Щоб отри-мати аналопчний характер залежносп на-нотвердост1 вщ величини навантаження для шдентор1в р1зно! форми рекомендуеться ви-користовувати метод об'емно! нанотвердостг Об'емну нанотвердють визначали за формулою

НБ65'03 = — =-(5)

V 7,987 -И'

Залежшсть об'емно! нанотвердост1 вщ навантаження мае вигляд (рис. 5).

У зв'язку з прагненням сучасно! техшки до \пшатюризацп об'екпв, шдвищення екс-плуатацшних характеристик вироб1в, що пов'язано з розробкою нових субмшронних та нанорозм1рних матер1ал1в, використанням тонких покритпв та пл1вок, метод вим1рю-вання нанотвердосп шляхом безперервного шдентування набувае все бшыно! популярность

В багатьох випадках нанотвердють е практично единим показником мехашчних властивостей матер1атв, який використову-ють для оцшки якост1 поверхневих шар1в вщповщальних вироб1в, що потребуе високо! точносп !! розрахунку. Запропонована методика визначення нанотвердост1 враховуе як пружну, так I пластичну складову частину дсформацп. мае не дуже труд ом ют га матема-тичш I графо-анал1тичш розрахунки, що шд-

Рис. 5. Залежшсть об'емно! нанотвсрдосп вщ

навантаження для шрамщи Берковича

Сучасш дослщження шдтвердили, що число твсрдосп для даного матер1алу в р1зних д1апазонах ¡ндснтування не е константою [1].

Показано, що значения твсрдосп залежать вщ глибини втискування ¡ндснтора (або навантаження). Залежно вщ навантаження тве-рдють може збшыпуватися (зворотний роз-м1рний ефект), або зменшуватися (прямий розм1рний ефект). Однак характер змши ще! залежносп при використанш р1зних ¡ндснто-р1в вивчений не достатньо повно. При визна-ченш поверхнево! та об'емно! нанотвсрдосп шляхом ¡ндснтування тригранною гпрам ¡дою Берковича спостерпаеться прямий розм1рний ефект, тобто з1 збшыпенням навантаження нанотвердють зменшуеться до якогось значения, а пстм стабшзуеться. Причина такого характеру змши властивостей точшше всього пояснюеться формулою, за якою роз-раховують значения твердост1 [1].

Висновки

Галузь використання методики СЫвера I Фарра обмежена пружно-пластичною схемою контакту ¡ндснтора з матер1алом.

Поверхнева та об'емна нанотвердють може використовуватися для р1зних за своею природою матер ¡ал ¡в. для ощнки якост1 тонких поверхневих шар1в.

Методика визначення поверхнево! та об'емно! нанотвсрдосп за кривими ¡ндснтування в1др1зняеться значною простотою, то-чшетю I продуктившетю, оскшьки виключа-еться необхвднють розрахунку пружного

прогину, тому що використовують глибину втискування iH^ffropa, яка вимiрюeться приладом. При вимiрюваннi поверхнево! та об'емно! нанотвердостi спостерiгаeться роз-мiрний ефект - 3i збiльшенням навантаження (глибини втискування iндентора) величина нанотвердостi спочатку зменшуеться, а пот!м - стабшзуеться.

Лiтература

1. Мощенок В.И. Новые методы определения твёрдости материалов : монография / В.И. Мощенок. - 2-е изд. доп. и перераб. - Х. : ХНАДУ, 2013. - 324 с.

2. Колмаков А.Г. Методы измерения твердости / А.Г. Колмаков, В.Ф. Терентьев, М.Б. Бакиров. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Интермет Инжиниринг, 2005. - 150 с.

3. ISO 14577-4:2007 Metallic materials -Instrumented indentation test for hardness and materials parameters. - Part 4: Test method for metallic and non-metallic coatings.

4. Oliver W.C., Pharr G.M. An improved technique for determining hardness and elastic moduley using load and displacement sensing indentation experiments // J. Mater. Res. - 1992. - 7. №6. -P. 1564-1583.

5. Определение нанотвердости материалов с использованием различных методов анализа кривой индентирования / В.И. Мощенок, Н.А. Лалазарова, Е.Г. Попова и др. // Вопросы проектирования летательных аппаратов: сб. науч. тр. - Харьков, национальн. аэрокосмич. ун-т им. Н.Е. Жуковского «ХАИ», 2011. -Вып. 1(65). - С. 102-107.

References

1. Moschenok V.I. (2013) New methods to determine

material hardness [Novyie metodyi predeleniya tvyordosti materialov], Kharkiv [in Russian].

2. Kolmakov A.G., Terentyev V.F., Bakirov M.B. (2005) Methods to determine hardness, Moscow [in Russian].

3. ISO 14577-4:2007 Metallic materials -Instrumented indentation test for hardness and materials parameters. - Part 4: Test method for metallic and non-metallic coatings.

4. Oliver W.C., Pharr G.M. An improved technique for determining hardness and elastic moduley using load and displacement sensing indentation experiments // J. Mater. Res.-1992.-7.№6.-P. 1564-1583.

5. Moschenok V.I., Lalazarova N.A., Popova E.G., Kuhareva I.E. (2011) Determination of material nanohardness using various methods of analyzing indentation curve [Opredelenie nanotverdosti ma-teria-lov s ispolzovaniem razlichnyih metodov analiza krivoy indentirovaniya] // Design issues of aircraft: collection of scientific papers, 1 (65), 102-107. [in Russian].

Mo^eHOK Bacii.b Ibbhobhh — k.t.h., npo^e-cop, Ka^egpa TexHonorii MeTaniB Ta MaTepiano-3HaBCTBa, Ten. +38 096-359-79-46, mvi@khadi.kharkov.ua

^a.a3apoBa HaTa.ia O.eKciiBHa - k.t.h.,

go^HT, Ka^egpa TexHonorii MeTaniB Ta MaTepi-

ano3HaBCTBa,

Ten. +38 095-390-38-16,

lalaz 1932@gmail.com,

noHiKapoBCbKa CBiT.aHa Bo.ogHMHpiBHa,

CTapmHH BHKnagan Ka^egpn rno3emhhx mob, Ten. +38 067-782-52-50 ponikarovska@gmail.com

KyxapeBa IpHHa GBremieHa, iH^eHep, Ka$e-gpa TexHonorii MeTaniB Ta MaTepiano3HaBCTBa, Ten. +38 096 -102-78-86, Agats@ukr.net

XapKiBCbKHH Ha^oHanbHHH aBTOMo6inbHo-gopo^mM ymBepcHTeT, 61002, YKpaiHa, m. XapKiB, Byn. ^pocnaBa Mygporo, 25

NANOHARDNESS AS A MODERN METHOD OF DIAGNOSTICS OF PRODUCTS SURFACE LAYER QUALITY

Moschenok V.I., Lalazarova N.O., Kukhareva I.E., Ponikarovska S.V., KhNAHU

Abstract. Problem. Given the creation of new materials of thin coatings, there is a problem of determining the properties in nanoscale by measuring nanohardness. Goal. The aim of the study is to improve the method of determining nanohardness by continuous indentation, to study the dimensional effect, which allows evaluating the mechanical properties of materials in nanoscale more accurately and efficiently. Method. A steel exemplary measure of hardness was used as a material. Nano-hardness was measured on the Nano Test device (Micro Materials Ltd., England). According to the results of the measurements on the nanohardness measuring device, the calculations were performed by the "Nano Test Materials Testing Platform " program according to Oliver and Farr Method (which corresponds to the hardness of indentation according to ISO 14577-4: 2007), which is rather complicated and has a limited area of use. The Berkovich Pyramid was used as an indenter. Results. Indenting curve obtained by the "Nano Test Materials Testing Platform " was used to determine nanohardness. The calculations of surface nanohardness as the ratio of the load to the plane of the lateral surface of the indenter part squeezed in the material were made in the work, and the dependence of the hardness on the load was obtained. The volumetric nanohardness was also determined as a

ratio of load to the volume of the indenter part squeezed into the material, and its dependence on the load was obtained. Scientific novelty. The surface and volumetric nanohardness can be used for materials different in nature, for evaluation of physical and mechanical properties of thin surface-layers. The method of determining the surface and volumetric nanohardness according to the indenting curves possesses great simplicity, accuracy and productivity, because the depth of indenter indentation, which is measured by the device, is used for its calculation. When measuring surface and volumetric nanohardness, a dimensional effect is observed - with increasing load the magnitude of nanohardness initially decreases, and then it stabilizes. Practical signif-cance. The methods of determining the surface and volumetric nanohardness allow evaluating the properties of different materials in nanoscale with high precision and productivity.

Key words: surface and volumetric nanohard-ness, depth of indenter indentation, dimensional effect.

НАНОТВЁРДОСТЬ - СОВРЕМЕННЫЙ МЕТОД ДИАГНОСТИКИ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ИЗДЕЛИЙ

Мощенок В.И., Лалазарова Н.А., Кухарева И.Е., Поникаровская С.В., ХНАДУ

Аннотация. Проведенные исследования поверхностной и объёмной нанотвердости материалов непрерывным индентированием показали, что эти методики могут использоваться как для упругих, так и для пластичных материалов, отличаются значительной простотой, так как для расчета используют глубину вдавливания инден-тора, которая измеряется прибором. При определении нанотвёрдости наблюдается размерный эффект - с увеличением нагрузки (глубины вдавливания индентора) величина нанотвердости сначала уменьшается, а затем - стабилизируется.

Ключевые слова: поверхностная и объёмная твердость, глубина внедрения индентора, размерный эффект.