Научная статья на тему 'Определение микромеханических характеристик поверхности материалов с использованием наноиндентометра «Микрон-гамма»'

Определение микромеханических характеристик поверхности материалов с использованием наноиндентометра «Микрон-гамма» Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
294
108
Поделиться
Ключевые слова
кинетическое индентирование / склерометрия / диаграмма внедрения / микро/нано твердость / модуль упругости / масштабный эффект твердости / рельеф поверхности

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Игнатович С. Р., Закиев И. М., Закиев В. И.

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

The universal automated instrument for determination of micromechanical characteristics of material and products surface by methods of depth sensing indentation and scratch testing is developed. The instrument is characterized by a wide range of set force and measured displacements (including nanoscale), compactness and simplicity.

Текст научной работы на тему «Определение микромеханических характеристик поверхности материалов с использованием наноиндентометра «Микрон-гамма»»

УДК 620.186:681.782.44(045)

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОВЕРХНОСТИ МАТЕРИАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НАНО-ИНДЕНТОМЕТРА «МИКРОН-ГАММА»

С.Р. Игнатович, д.т.н., И.М. Закиев, ст. научн. сотр.,

В.И. Закиев, аспирант,

Национальный авиационный университет, г. Киев

Аннотация. Разработан универсальный автоматизированный прибор для определения микромеханических характеристик поверхности материалов и изделий методами непрерывного вдавливания и царапания индентором. Прибор характеризуется широким диапазоном задаваемых усилий и измеряемых перемещений (включая нанометровый), компактностью и простотой.

Ключевые слова: кинетическое индентирование, склерометрия, диаграмма внедрения, микро/нано твердость, модуль упругости, масштабный эффект твердости, рельеф поверхности.

Введение

При разработке новых материалов и совершенствовании технологий их обработки, для оценки технического состояния деталей и разработки мероприятий по улучшению их эксплуатационных свойств необходимо

контролировать физико-механические свойства поверхностности. При этом особый интерес представляет определение механических свойств локальных (микро/нано

масштабных) участков поверхностного слоя, что возможно осуществить только путем ин-дентирования (indention) - методами непрерывного вдавливания (depth sensing indentation) или сканирования (scratch testing) индентором [1]. Современный этап развития методов локального и сканирующего инден-тирования характеризуется разработкой и использованием нового поколения приборов -наноиндентомеров [2], обладающих высокой разрешающей способностью регистрации глубины внедрения индентора (порядка 1 нм) при сверхмалых нагрузках. Это существенно расширяет диапазон регистрируемых деформационных и прочностных характеристик материалов [3], а методология наноинденти-рования в настоящее время относится к наиболее перспективным научно-практическим направлениям [3, 4]. Приборы, выпускаемые зарубежными производителями (Micro

Photonics, CSM Instruments, MTS, Hysitron, Nano Indenter, UMIS и др.), обладают широким спектром возможностей локального и сканирующего индентирования. Однако для компенсации вредных воздействий от сейсмических колебаний они оснащаются специальными системами амортизации, что обусловливает существенное увеличение массы аппаратуры (50 - 150 кг). Упругие прогибы конструкции при наноиндентировании приводят к погрешностям измерений. Кроме этого реализуемые на индентор усилия в зарубежных приборах ограничены по максимальным значениям до 2 Н. В связи с этим была поставлена задача по разработке и созданию автоматизированного индентометра, не уступающего по техническим возможностям зарубежным аналогам и частично лишенного присущих им недостатков.

Технические возможности наноиндентометра «Микрон-гамма»

В Национальном авиационном университете разработан и сконструирован микро/нано ин-дентометр «Микрон-гамма», обладающий широкими диапазонами задаваемых усилий (от 0,01 до 10 Н) и регистрируемой глубины внедрения (от 10 нм до 200 мкм) [5, 6].

Локальное индентирование осуществляется непрерывным вдавливанием в испытуемый материал индентора (стандартные алмазные пирамиды Виккерса, Берковича или другие) с регистрацией диаграммы внедрения (ДВ) -зависимости нагрузки на индентор ( P ) от глубины его внедрения ( Н ) (рис. 1).

!♦ МИКРОН Гамма ВВЕЛ

♦ ШИ иг ГуЫН и +М XI®] 4й1 *1нЫа1 _?]

3 ДУегМе^а ТУ Со... ^

С Статья -М1„о5ое... Я]Д8

Рис. 1. Интерфейс «Микрон-гамма» с ДВ, полученными при индентировании А1203 (1), малоуглеродистой стали (2) и LiF (3)

Регистрируемая в процессе индентирования ДВ несет более полную информацию о физико-механических свойствах поверхности, чем размер восстановленного отпечатка. Методические основы определения числа микро/нано твердости и значения модуля упругости по ДВ разработаны в работе [7] и приняты в качестве международного стандарта [8]. Кроме этого, по ДВ определяется общая работа индентирования, а также работы пластического (при внедрении индентора) и упругого (при восстановлении отпечатка)

деформирования. Данная методология реализована в программном обеспечении прибора «Микрон-гамма».

Технические возможности «Микрон-гамма» помимо определения стандартных прочностных и деформационных характеристик поверхности проводить исследования поведения материалов при нагружении сосредоточенной нагрузкой в локализованных объемах поверхностного слоя. Так, регистрация изменения глубины внедрения индентора при постоянной максимальной нагрузке дает возможность оценивать сопротивление материалов процессам «холодной» ползучести (рис. 2). Многократное индентирование в одну и ту же точку с постоянной нагрузкой позволяет исследовать процессы наклепа, циклической ползучести и локального усталостного разрушения (рис. 3). Возможна реализация и динамического индентирования.

Время выдержки с.

Рис. 2. Графики «холодной» ползучести различных материалов: 1 - монокристалл LiF; 2 - кварц плавленый

Рис. 3. Диаграммы внедрения при циклическом индентировании

ю

Рис. 4. Склерометрические диаграммы при изменяющейся нормальной нагрузке

Рис. 5. Изменение тангенциальной силы при царапании

Методическим обеспечением, реализованном в индентометре «Микрон-гамма», предусмотрена коррекция ДB в виде квадратичной зависимости силы от глубины вдавливания. Это позволяет получать постоянные значения микро/нано твердости во всем диапазоне значений усилий на индентор и, тем самым, исключить размерный эффект твердости при испытаниях [10].

Сканирующее индентирование осуществляется по двум режимам: с регистрацией глубины внедрения при царапании с постоянной или изменяющейся силой вдавливания (нормальной к поверхности) (рис. 4), и с регистрацией тангенциальной силы (в зару-

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

бежных источниках боковой - lateral force) (рис. 5).

Регистрация прибором «Микрон-гамма» тангенциальной силы при царапании позволяет использовать данный метод для исследований материалов и изделий. Это оценка адгезии тонких пленок и покрытий, моделирование процессов трения и износа, определение твердости при царапании, исследование ми-кромеханических характеристик процессов деформирования и разрушения, оценка анизотропии физико-механических свойств в микро- и наномасштабах [1]. Одним из перспективных направлений исследований, связанных с царапанием и регистрацией при этом тангенциальной силы, является оценка

микроструктурной неоднородности поверхностного слоя материалов и изделий [9].

Выводы

Разработан и сконструирован многофункциональный, автоматизированный и компактный микро/нано индентометр «Микрон-гамма», который не уступает по своим техническим и функциональным характеристикам зарубежным аналогам. Индентометр может использоваться для определения микромеханиче-ских свойств поверхностного слоя материалов и изделий при научных исследованиях и в заводских лабораториях.

Литература

1. Miyoshi K. Surface characterization tech-

niques: an overview. - NASA/TM -2002211497, Glenn Research Center of NASA.

- July 2002. - 45 P.

2. Van Landingham M. R. Review of instru-

mented indentation // J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol. - 2003. - 108, № 4. - P. 249-265.

3. Головин Ю.И., Иволгин B.^, Корен-

ков B.B., Рябко Р.И. Определение комплекса механических свойств материалов в нанообъемах методами нано-индентирования. // Конденсированные среды и межфазные границы. - 2001. -3, № 2. - С. 122-135.

4. Wolf B. Inference of mechanical properties

from instrumented depth sensing indentation at tiny loads and indentation depths // Cryst. Res. Technol. - 2000. - 35, № 4. -P. 377-399.

5. Игнатович С.Р., Закиев И.М., Борисов

Д.И., Закиев B.^ Оценка поврежденно-сти поверхностного слоя материалов

при циклическом нагружении методами наноиндентирования и наносклерометрии // Пробл. прочности. - 2006. - № 4.

- С. 132-139.

6. Игнатович С.Р., Шмаров В.Н., Закиев

И.М., Майстренко Ю.Н. Контроль физико-механических свойств поверхности твердых тел методами локального и сканирующего микро/нано индентирования // Нанотехнологии: Сб. докл. Харьковской нанотехнологической ассамблеи-2008: Т.1. - Харьков: ХФТИ, 2008.

- С. 243-246.

7. Oliver W. C., Pharr G. M. An improved tech-

nique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation measurements // J. Mater. Res. - 1992. - 7, № 6. - P. 1564-1583.

8. ISO/FDIS 14577-1: 2002; Metallic materials

- Instrumented indentation test for hardness and materials parameters. Part 1: Test method - Geneva: ISO Central Secretariat, 2002.

9. Игнатович С.Р., Закиев И.М., Борисов Д.И.

Оценка структурно-деформационной неоднородности тонкого поверхностного слоя материалов методом царапания // Пробл. прочности. - 2008. - № 3. -С. 70-81.

10. Фирстов С.А., Игнатович С.Р., Закиев И.М. Коррекция диаграммы внедрения при наноиндентировании с учетом особенностей начального контакта / Пробл. тертя та зношуванняю.- К: НАУ. - 2007.

- Вип. 48. - С. 64-71.

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

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

Статья поступила в редакцию 8 сентября 2008 г.