Современный метод оценки нанотвёрдости функциональных поверхностей деталей автомобилей Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 620.178.151.6

СОВРЕМЕННЫЙ МЕТОД ОЦЕНКИ НАНОТВЁРДОСТИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ АВТОМОБИЛЕЙ

А.И. Пятак, профессор, д. ф.-м. н., В.И. Мощенок, профессор, к.т.н., Н.А. Лалазарова, доцент, к.т.н., ХНАДУ

Аннотация. Представлен метод определения универсальной и истинной нанотвёрдости по глубине внедрения трёхгранной пирамиды Берковича путём кинетического индентирования.

Ключевые слова: универсальная и истинная нанотвёрдость, трёхгранная пирамида Берковича, кинетическое индентирование.

Введение

Основные эксплуатационные характеристики деталей автомобилей определяются, в основном, структурой поверхностных слоёв, которые подвергают разнообразным видам упрочнения, наносят различные покрытия.

Наиболее распространённым способом оценки свойств тонких поверхностных слоёв, плёнок является метод кинетического инден-тирования, который позволяет изучать процессы упругой и пластической деформации в очень малых объёмах, определять макро-, микро- и нанотвёрдость, ряд механических, трибологических и других служебных характеристик. Метод кинетического индентиро-вания позволяет изучать свойства как пластичных, так и хрупких материалов из-за их квазихрупкого разрушения (керамик, стёкол, карбидов, нитридов, боридов тугоплавких элементов) [1, 2]. Однако измерение нанотвёрдости связано со значительными трудностями. Поэтому совершенствование методов оценки нанотвёрдости является актуальной проблемой.

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 в координатах нагрузка - перемещение.

В 1992 году В. Оливер и Дж. Фарр разработали методику определения нанотвёрдости по глубине контакта при максимальной нагрузке [3]. Сложность методики заключается в том, что прибор измеряет не глубину отпечатка, а перемещение индентора h, которое является суммой нескольких слагаемых:

- глубины контакта hc;

- упругого прогиба на краю контакта hs;

- прогиба силовой рамы hf,

- теплового расширения стержня, в котором закреплён индентор hul (рис. 1)

h = hc + hs + hf + hui . (1)

Рис. 1. Схема сечения отпечатка: 1 - исходная поверхность; 2 - поверхность под нагрузкой; 3 - поверхность внедрённой части индентора; 4 - поверхность после снятия нагрузки

Твёрдость по методике Оливера и Фарра определяется по формуле

р

Н ___ тах

(2)

где Ртах - максимальная нагрузка; А - площадь проекции отпечатка для идеально острого индентора Берковича

А=24,56-Лс

(3)

Площадь проекции отпечатка определяется по глубине контакта кс, которая для различных схем будет определяться по-разному.

При определении нанотвёрдости измеряют так называемую «невосстановленную» твёрдость в отличие от метода измерения микротвёрдости, когда измеряют «восстановленную» твёрдость, искажённую упругим восстановлением отпечатка. Наибольшая трудность методики Оливера и Фарра заключается в нахождении упругого прогиба на краю отпечатка. Данная методика позволяет найти нанотвёрдость только для одной точки диаграммы нагружения при использовании индентора Берковича [3].

Цель и постановка задачи

Цель работы - определение универсальной и истинной нанотвёрдости материалов по глубине внедрения индентора при различных нагрузках индентирования.

Результаты исследований

Методика Оливера и Фарра даёт хорошие результаты для случая упруго-пластического контакта индентора с исследуемым материалом, который представлен на рис. 1 с прогибом на краю отпечатка.

Работает ли методика Оливера и Фарра, если имеют место другие схемы контакта? Другой случай упруго-пластического контакта ин-дентора с исследуемым материалом предполагает наличие вытесненного материала вокруг индентора - наличие навала (рис. 2). Такая схема контакта имеет также место при измерении твёрдости упруго-пластичных и пластичных материалов. В этом случае глубина контакта индентора должна равняться кс = к + Ак.

Рассмотрим другие случаи контакта. Например, для абсолютно упругого тела схема контакта приведена на рис. 3.

Рис. 2. Схема контакта индентора с материалами, у которых присутствует навал

Рис. 3. Схема контакта абсолютно упругого тела с индентором: к -перемещение ин-дентора

Если контакт индентора осуществляется с абсолютно упругим телом (например, резиной), то в этом случае величина перемещения индентора равняется прогибу на краю отпечатка: к = к^ Тогда: кс = к - к& = 0. Для данных схем (рис. 2, 3) методика Оливера и Фарра не позволяет определять нанотвёрдость.

На кафедре технологии металлов и материаловедения ХНАДУ разработана методика определения универсальной и истинной нанотвёрдости любых материалов [4].

Универсальная нанотвёрдость определяется как отношение силы сопротивления внедрению индентора к площади внедрённой в материал части индентора - трёхгранной пирамиды Берковича

-

НБ _—_-

у А 26,367 • к

(угол при вершине 65°),

——

НБ у _ - _-------^

у А 26,434 • к2

(угол при вершине 65°03'),

——

НБ у _ - _-------^

у А 26,968 • к2

(угол при вершине 65°27'),

(4)

(5)

2

где Е - сила сопротивления внедрению пирамиды, Н; к - глубина внедрения пирамиды Берковича, мм; А - площадь поверхности внедрённой части пирамиды, мм2.

Истинная нанотвёрдость определяется как отношение силы сопротивления к объёму внедрённой части пирамиды

— —

НБи = - =----------3

V 10,282•^

(угол при вершине 65°),

--НБ„ = — = -

(7)

V 10,31 к3 (угол при вершине 65°03'),

——

НБи = - =----------

V 10,539 • h3

(угол при вершине 65°27'),

(8)

(9)

где Е - сила сопротивления внедрению пирамиды, Н; к - глубина внедрения пирамиды Берковича, мм; V - объём внедрённой части пирамиды, мм3.

Глубина внедрения пирамиды к для любого контакта (рис. 1, 2, 3) равна перемещению пирамиды. Для случая упруго-пластического контакта с навалом к равно перемещению индентора и измеряется от поверхности образца без учёта высоты навала (рис. 2). Для случая абсолютно упругого контакта (рис. 3) глубина внедрения тоже равна величине перемещения индентора. Для этой схемы контакта нанотвёрдость можно определить только этим методом, так как при определении универсальной и истинной нанотвёрдости измеряется глубина внедрения индентора, а не параметры отпечатка, который в данном случае отсутствует.

Методика, разработанная на кафедре технологии металлов и материаловедения ХНАДУ, позволяет определять нанотвёрдость не только для максимальной нагрузки на инден-тор, но и для всех промежуточных значений нагрузок [4].

Рассмотрим процесс измерения универсальной и истинной нанотвёрдости на примере керамики на основе двуокиси циркония. Эти

керамики уникальны, так как они обладают очень высокой вязкостью разрушения, соизмеримой с вязкостью стали, в сочетании с высокой твёрдостью, износостойкостью и химической инертностью. Такие свойства делают этот материал очень перспективным. Кривая наноиндентирования для керамики 2г02 взята из работы [2]. На рис. 4 представлена диаграмма в координатах нагрузка-глубина внедрения индентора, где левая ветвь - участок нагружения, правая - участок разгрузки индентора. Этот метод исключает необходимость в трудоёмком измерении параметров отпечатка, получаемого при малых нагрузках на индентор.

Рис. 4. Диаграмма нагружения индентора Берковича для керамики 2г02 [2]

На основании диаграммы Е-к непрерывного индентирования были построены графики зависимости универсальной (рис. 2, а) и истинной (рис. 2, б) нанотвёрдости от приложенной нагрузки.

С уменьшением нагрузки (и соответственно глубины внедрения индентора) наблюдается увеличение нанотвёрдости. Рост нанотвёрдости объясняется размерным эффектом. Размерный эффект может иметь различную природу при разных нагрузках и размерах отпечатка. В настоящее время не существует ясного понимания механизмов размерного эффекта [2]. Ясно одно, что размерный эффект связан со структурными особенностями пластически деформированной области и для разных материалов, условий испытания и сильно отличающихся глубин контакта превалируют различные физические причины.

Непрерывное индентирование позволяет не только определять нанотвёрдость материала, но и изучать соотношение упругой и пластической деформации.

Зависимость универсальной нанотвердости от нагрузки

Нагрузка,мН

а

Зависимость истинной нанотвердости от нагрузки

Нагрузка,мН

б

Рис. 5. Зависимость универсальной (а) и истинной (б) нанотвёрдости керамики 2г02 от нагрузки

Упругая составляющая работы индентирова-ния (Жу) характеризуется площадью ОВА (рис. 4), пластическая составляющая - площадью ОВС, полная работа индентирования (Ж) - площадью ОАС. Соотношение упругой и пластической составляющих работы рассчитывали из соотношения площади ОАВ к площади ОАС. Упругая составляющая работы индентирования керамики составляет 67 %.

Для керамики 2г02 в связи с большой долей упругой составляющей работы (67 %) определение нанотвёрдости по восстановленному отпечатку даёт искажённые значения: нанотвёрдость будет очень сильно завышена. Поэтому определение нанотвёрдости по невосстановленному отпечатку для этого материала является единственно возможным.

Выводы

Область использования методики Оливера и Фарра по определению нанотвёрдости ограничена упруго-пластической схемой контакта индентора с измеряемой поверхностью без навала.

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. Определение глубины внедрения не требует сложных расчётов и измеряется на нанотесторе.

Зависимость универсальной и истинной нанотвёрдости от нагрузки (глубины внедрения индентора) позволяет определять твёрдость очень тонких поверхностных слоёв любых материалов. Нанотвёрдость - эффективный метод неразрушающего контроля рабочих слоёв деталей автомобилей.

Литература

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

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

2. Головин Ю.И., Иволгин В.И., Корен-

ков В.В., Фарбер Б.Я. Размерный и зависящий от времени эффекты в нанотвёрдости керамик на основе ZrO2 // Физика твёрдого тела. - 2001. - Т.3. - Вып. 11. -С.2021 - 2024.

3. 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. -

4. М№6еноР . В364 -Й5&3арова Н.А., Тимчен-

ко О.Н. Определение универсальной и истинной нанотвёрдости для различных материалов. Proceeding IV International Triennial Conference Heavy Machinary-HM’08 Kraljevo, 24 - 29 June 2008. -Р. 51 - 53.

Рецензент: В.И. Клименко, профессор, к.т.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 20 мае 2008 г.