Научная статья на тему 'Новые методы определения нанотвёрдости материалов'

Новые методы определения нанотвёрдости материалов Текст научной статьи по специальности «Приборы неразрушающего контроля изделий и материалов»

CC BY
187
40
Поделиться
Ключевые слова
универсальная и истинная нанотвёрдость / кривые нагружения и разгрузки / глубина внедрения индентора / размерный эффект

Похожие темы научных работ по приборостроению , автор научной работы — Лалазарова Наталья Алексеевна, Нестеренко Елена Анатольевна, Приходько С.А.,

Peculiarities of the universal and true nanohardness determination for the typical representatives of various classes of materials were considered. Analysis of the P-h-diagram for all the investigated materials was fulfilled.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «Новые методы определения нанотвёрдости материалов»

УДК 620.178.151.6

НОВЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАНОТВЁРДОСТИ

МАТЕРИАЛОВ

Н.А. Лалазарова, доцент, к.т.н., Е.А. Нестеренко, ассистент, С.А. Приходько, студент, ХНАДУ

Аннотация. Рассмотрены особенности определения универсальной и истинной нанотвёрдости для типичных представителей различных классов материалов. Проведен анализ F-h-диаграмм для всех исследуемых материалов.

Ключевые слова: универсальная и истинная нанотвёрдость, кривые нагру-жения и разгрузки, глубина внедрения индентора, размерный эффект.

Введение

Большинство эксплуатационных свойств деталей машин определяется структурой и свойствами поверхностных слоёв. Наиболее распространённым способом определения свойств поверхностных слоёв, тонких плёнок является метод кинетического индентирова-ния, который позволяет изучать процессы упругой и пластической деформации в очень малых объёмах как пластичных, так и хрупких материалов (керамик, стёкол, карбидов, нитридов, боридов тугоплавких элементов) [1]. Процесс измерения нанотвёрдости связан со значительными трудностями. Поэтому совершенствование методов определения нано-твёрдости позволит интенсифицировать процесс изучения свойств различных материалов в нанообъёмах.

Анализ публикаций

Суть метода кинетического индентирования заключается в том, что на основании испытаний на нанотвёрдость регистрируется перемещение алмазного индентора (пирамиды Берковича) как при его нагружении, так и в период разгрузки и строятся диаграммы на-гружения в координатах нагрузка - перемещение ^-И). В 1992 году В. Оливер и Дж. Фарр разработали методику определения на-нотвёрдости по глубине контакта при максимальной нагрузке [2]. Сложность методики заключается в том, что прибор измеряет не глубину отпечатка, а перемещение индентора, которое является суммой нескольких сла-

гаемых. Процесс определения нанотвёрдости отличается значительной трудоёмкостью и может быть использован только для упруго-пластической схемы контакта.

Диаграммы, построенные в координатах «нагрузка на индентор F - глубина отпечатка И», показывают, что методом индентирования можно: измерять нанотвёрдость при максимальной нагрузке, измерять нанотвёрдость в процессе нагружения, при выдержке под нагрузкой и в процессе разгрузки; оценивать упругие свойства материала; исследовать свойства материалов у которых отпечаток очень сильно изменяет свои размеры после снятия нагрузки; регистрировать скорость внедрения индентора в материал и т.д.

Теоретические исследования этого метода позволяют определять: модуль упругости, ползучесть и релаксацию напряжений, ги-стерезисные потери при повторном нагруже-нии-разгружении, вязкость разрушения, пористость материалов, толщину, степень адгезии и механические свойства тонких плёнок и т.д.

Цель и постановка задачи

Цель работы - определение универсальной и истинной нанотвёрдости различных материалов по глубине внедрения пирамиды Берко-вича, сравнительный анализ упругих свойств материалов на основании анализа кривых непрерывного индентирования, выявление размерного эффекта.

Результаты эксперимента и их обсуждение в

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

На кафедре технологии металлов и материаловедения ХНАДУ разработана методика определения универсальной и истинной на-нотвёрдости материалов [3]. Универсальная * нанотвёрдость определяется как отношение силы сопротивления внедрению индентора к площади погружённой в материал части индентора - трёхгранной пирамиды Берковича, а истинная - как отношение силы сопротивления к объёму внедрённой части пирамиды Берковича [4].

Для определения универсальной и истинной нанотвёрдости, сравнительного анализа упругих свойств были взяты твёрдые материалы различной природы: кристаллические полупроводники Sn2P2S6, оксидные стёкла -плавленый кварц, монокристалл хрома высокой чистоты (зонная плавка). Типичные кривые наноиндентирования этих материалов взяты в работе [5] (рис. 1).

С)

1,5

0,5

п

С в А

0 25 50 75 1 00 1 25 150 1 75 Глубина внедрения индентора, мм

С)

1,5

0,5

с: в А

0 25 50 75 100 1 25 150 175 200 225 Глубина внедрения индентора, им

О

1,5

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

I

0,5

С, А

0 25х-В 50 75 1 00 1 25 Глубина внесения индентсра. мм

Рис. 1. Диаграмма нагружения индентора Берковича: а - Сг, б - Sn2P2S6, в - плавленный кварц [5]

Зависимости универсальной и истинной нанотвёрдости от нагрузки приведены на рис. 2.

По диаграммам нагружения для всех исследуемых материалов были проведены расчёты соотношения упругой и пластической составляющей работы индентирования. Упругая составляющая работы индентирования (Жу) характеризуется площадью ОВА (рис. 1), пластическая составляющая - площадью ОВС, полная работа индентирования (Ж) - площадью ОАС. Соотношение упругой и пластической составляющих работы рассчитывали из соотношения площади ОАВ к площади ОАС. Результаты расчётов приведены в табл. 1.

Таблица 1 Соотношение упругой и пластической составляющей работы индентирования

Материал Соотношение (Жу/Г)-100%

Хром 8

Плавленный кварц 25

8^8б 76

Анализ кривых индентирования позволяет полностью идентифицировать материалы. Плавленый кварц имеет высокую твёрдость, низкую пластичность, высокие упругие свойства.

Для всех исследуемых материалов наблюдается размерный эффект: с уменьшением нагрузки твёрдость увеличивается.

а

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

б

jj 0.000ÜQ7 Ü!

. o.oooooe л

G

g 0,000005 &

g 0.000004 3

M 0.000003 || 0.000002 g. 0,000001

0/0.5 1 1,5 2

Sn P S 2 2 6

Нагр5жа,1гН

Рис. 2. Зависимость универсальной нанотвёр-дости от нагрузки

Рис. 3. Зависимость истинной нанотвёрдости от нагрузки

Однако степень интенсивности роста на-но-твёрдости различна для различных материалов. Например, наиболее интенсивно возрастает с уменьшением нагрузки нанотвёр-дость плавленого кварца, менее интенсивно — монокристаллического хрома и ещё в меньшей степени — кристаллического полупроводника Sn2P2S6, что можно объяснить различиями в уровне удельных давлений в области деформирования.

Выводы

Методика Оливера и Фарра по определению нанотвёрдости ограничена упруго пласти-

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

ческой схемой контакта индентора и отличается значительной трудоёмкостью.

При определении универсальной и истинной нанотвёрдости материалов расчёт площади и объёма внедрённой части индентора осуществляется по глубине внедрения трёхгранной пирамиды Берковича, которая определяется как перемещение индентора от поверхности образца.

Универсальная и истинная нанотвёрдость имеют размерный эффект (с уменьшением нагрузки, а, значит, и глубины внедрения ин-дентора, наблюдается значительный рост на-нотвёрдости).

Литература

1. Дуб С.Н., Новиков Н.В. Испытания твёр-

дых тел на нанотвёрдость // Сверхтвёрдые материалы. - 2004. - №6. - С. 16-33.

2. 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. - №6.

- P. 1564-1583.

3. Мощенок В.1., Тарабанова В.П., Глушкова

Д.Б. Спошб ощнки твердосп матерiалу. Пат. Украши UA74654 C2, G01N3/40. Заявл. 30.12.2003. Опубл. 16.01.2006. Бюл. №1. - 3 с.

4. Мощенок В.И., Лалазарова Н.А. Определе-

ние универсальной и истинной нано-твёрдости материалов // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: Сб. научн. трудов. - Харьков: Национальн. аэрокос-мич. ун-т им. Н.Е. Жуковского «ХАИ».

- 2008. - Вып. 2 (53). - С.87-92.

5. Трунов М.Л., Биланич ВС., Дуб С.Н. Ис-

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

следование времязависимого механического поведения материалов при испытаниях на нанотвёрдость // ЖТФ. - 2007.

- Т.77. - Вып. 10 . - С. 50-57.

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

Статья поступила в редакцию 8 июля 2008 г.