CC BY
75
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
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
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
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-
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-
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.
