vestiftИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series1561-83582524-244XThe Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8358-2020-65-4-487-495vestift-635Research ArticleРАДИОЭЛЕКТРОНИКА И ПРИБОРОСТРОЕНИЕRADIOELECTRONICS AND INSTRUMENT-MAKINGОценка погрешности косвенных измерений физико-механических характеристик материалов методом динамического индентированияEvaluation of the error of indirect measurements of physical-mechanical characteristics of materials by dynamic indentation methodМацулевичО. В.MatsulevichO. V.

Мацулевич Олег Владимирович – кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории контактно-динамических методов контроля

ул. Академическая, 16, 220072, Минск

Oleg V. Matsulevich – Ph. D (Engineering), Senior Researcher of the Mechanical Testing Laboratory

16, Akademicheskaya Str., 220072, Minsk

matsulevich.o.v@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-9658-1003КреньА. П.KrenA. P.

Крень Александр Петрович – доктор технических наук, заведующий лабораторией контактно-динамических методов контроля

ул. Академическая, 16, 220072, Минск

 

Alexander P. Kren – D. Sc. (Engineering), Head of the Mechanical Testing Laboratory

16, Akademicheskaya Str., 220072, Minsk

alekspk@mail.ruПротасеняТ. A.PrataseniaT. A.

Протасеня Татьяна Анатольевна – к андидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории контактно-динамических методов контроля

ул. Академическая, 16, 220072, Минск

Tatsiana A. Pratasenia – Ph. D (Engineering), Senior Researcher of the Mechanical Testing Laboratory

16, Akademicheskaya Str., 220072, Minsk

5657397@gmail.comДелендикМ. Н.DelendikM. N.

Делендик Михаил Николаевич – кандидат технических наук, заведующий кафедрой «Безопасность технологических процессов и производств»

ул. Минина, 23, корп. 2, 220014, Минск

Mikhail N. Delendik – Ph. D (Engineering), Head of the Chair “Safety of Technological Processes and Manufacture”

23/2, Minin Str., 220014, Minsk

delendik@mipk.byИнститут прикладной физики Национальной академии наук БеларусиInstitute of Applied Physics of the National Academy of Science of BelarusФилиал БНТУ «Межотраслевой институт повышения квалификации и переподготовки кадров по менеджменту и развитию персонала»Branch of the Belarusian National Technical University “Intersectoral Institute for Staff Training and Retraining on Management and Personnel Development”202031122020654487–495Copyright © Мацулевич О.В., Крень А.П., Протасеня Т.A., Делендик М.Н., 20202020Мацулевич О.В., Крень А.П., Протасеня Т.A., Делендик М.Н.Matsulevich O.V., Kren A.P., Pratasenia T.A., Delendik M.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestift.belnauka.by/jour/article/view/635

Рассмотрены вопросы метрологического обеспечения при измерении физико-механических характеристик конструкционных материалов методом динамического индентирования. Показано, что оценка погрешности измерений с помощью мер является неэффективной по причине большого разнообразия контролируемых материалов и широкого диапазона изменения их свойств. Разработана методика оценки точности измерений на основании погрешностей отдельных составляющих, которые входят в расчетную формулу, то есть путем определения погрешности косвенных измерений. В основе методики лежит оценка границ случайной погрешности измеряемых характеристик материала и неисключенных систематических погрешностей параметров, по которым рассчитываются искомые характеристики. Приведены результаты экспериментальных исследований, свидетельствующие о том, что в связи с различным характером зависимостей твердости и модуля упругости от регистрируемых параметров индентирования погрешность измерения модуля упругости превышает погрешность измерения твердости. Кроме того, установлено, что погрешность измерения характеристик материалов методом динамического индентирования превышает погрешность измерения методом статического индентирования и может быть уменьшена путем использования более точного оборудования для регистрации процесса испытательного удара. Полученные значения физико-механических характеристик материалов и погрешности их измерения свидетельствуют о том, что метод динамического индентирования позволяет эффективно решать задачу неразрушающего контроля твердости, модуля упругости и коэффициента деформационного упрочнения металлических конструкций и изделий с заданной погрешностью.

The metrological problems of measuring the physic and mechanical characteristics of materials by dynamic indentation are considered. It is shown that the estimation of measurement error demanding the creation of the reference blocks is ineffective due to the wide variety of controlled materials and a wide range of changes in their properties. A technique has been developed for evaluating the accuracy of measurements based on the errors of individual parameters included in the calculation equation, i.e. by determining the error of indirect measurements. The technique is based on the estimation of the boundaries of the random error of the measured characteristics of the material and the non-excluded systematic errors of the parameters that are used for the calculations of needed characteristics. The results of experimental studies are presented, indicating that due to the different character of the dependencies of hardness and elastic modulus, the error in measuring the elastic modulus exceeds the error in measuring hardness. In addition, it was found that the error in measuring the characteristics of materials by the dynamic indentation method exceeds the measurement error by the static indentation method and can be reduced by increasing the accuracy of the equipment used for the registration of impact process. The obtained values of the physic and mechanical characteristics of the materials and the values of the measurement error show that the dynamic indentation method can effectively solve the problem of non-destructive testing of hardness, elastic modulus, and strain hardening exponent of metals and products with an appropriate error.

динамическое индентированиепогрешность измерениякосвенные измерениятвердостьмодуль упругостиdynamic indentationmeasurement errorindirect measurementshardnesselastic modulusReferencesExtraction of mechanical properties of materials through deep learning from instrumented indentation / Ming Dao Lu Lu [et al.] // PNAS, Proc. Natl. Acad. Sci. USA. – 2020. – Vol. 117, № 13. – P. 7052–7062. https://doi.org/10.1073/ pnas.1922210117Lu Lu Ming Dao, Punit Kumar, Upadrasta Ramamurty, George Em Karniadakis, Subra Suresh. Extraction of me- chanical properties of materials through deep learning from instrumented indentation. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2020, vol. 117, no. 13, pp. 7052–7062. https://doi.org/10.1073/pnas.1922210117Gao, Chenghui. Instrumented indentation of fused silica by Berkovich indenter / Chenghui Gao, Ming Liu // J. Non- Cryst. Solids. – Vol. 475, № 1. – P. 151–160. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2017.09.006Chenghui Gao, Ming Liu. Instrumented indentation of fused silica by Berkovich indenter. Journal of Non-Crystalline Solids, vol. 475, no. 1, pp. 151–160. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2017.09.006Kren, A. P. Determination of the Strain-Hardening Exponent of a Metallic Material by Low-Speed Impact Indentation / P. Kren, V. A. Rudnitskii // Russian Metallurgy (Metally). – 2019. – Vol. 2019, № 4. – P. 478–483. https://doi.org/10.1134/ S0036029519040220Kren A. P., Rudnitskii V. A. Determination of the Strain-Hardening Exponent of a Metallic Material by Low- Speed Impact Indentation. Russian Metallurgy (Metally), 2019, vol. 2019, no. 4, рр. 478–483. https://doi.org/10.1134/ S0036029519040220Rabinovich, S. G. Evaluating Measurement Accuracy: A Practical Approach / S. G. Rabinovich. – New York: Springer- Verlag, 2010. – 272 p. https://doi.org/10.1007/978-1-4419-1456-9Rabinovich S. G. Evaluating Measurement Accuracy: A Practical Approach. New York, Springer-Verlag, 2010. 272 p. https://doi.org/10.1007/978-1-4419-1456-9Oliver, W. C. An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments / W. C. Oliver, G. M. Pharr // J. Mater. Res. – 1992. – Vol. 7, iss. 6. – P. 1564–1583. https://doi. org/10.1557/JMR.1992.1564Oliver W. C., Pharr G. M. An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and dis- placement sensing indentation experiments. Journal of Materials Research, 1992, vol. 7, iss. 6, pp. 1564–1583. https://doi. org/10.1557/JMR.1992.1564Fischer-Cripps, A. C. Critical review of claims for ultra-hardness in nanocomposite coatings / A. C. Fischer-Cripps, S. J Bull, N. Schwarzer // Philos. Mag. – 2012. – Vol. 92, № 13. – P. 1601–1630. https://doi.org/10.1080/14786435.2011.652688Fischer-Cripps A. C., Bull S. J., Schwarzer N. Critical review of claims for ultra-hardness in nanocomposite coatings. Philosophical Magazine, 2012, vol. 92, no. 13, pp. 1601–1630. https://doi.org/10.1080/14786435.2011.652688Применение метода ударного микроиндентирования для оценки механических характеристик и дефектности структуры углеродных композиционных материалов / А. П. Крень [и др.] // Вес. Нац. акад. навук Беларусi. Сер. фiз.- тэхн. навук. – 2018. – Т. 63, № 4. – С. 469–477. https://doi.org/10.29235/1561-8358-2018-63-4-469-477Kren А. P., Delendik M. N., Pratasenya T. A., Kinzhagulov I. Y. Application of the impact microindention meth- od for estimation of the mechanical characteristics and defects of the structure of carbon materials and products. Vestsi Natsyyanal’nai akademii navuk Belarusi. Seryya fizika-technichnych navuk = Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series, 2018, vol. 63, no. 4, pp. 469–477 (in Russian). https://doi.org/10.29235/1561- 8358-2018-63-4-469-477Крень, А. П. Оценка погрешности определения физико-механических характеристик материалов при их кон- троле методом индентирования / А. П. Крень, О. В. Мацулевич, М. Н. Делендик // Приборы и методы измерений. – 2018. – Т. 9, № 3. – С. 263–271. https://doi.org/10.21122/2220-9506-2018-9-3-263-271Kren A. P., Matsulevich O. V., Delendik M. N. Error estimation of the physical and mechanical characteristics mea- surements by indentation. Pribory i metody izmerenii = Devices and Methods of Measurements, 2018, vol. 9, no. 3, рр. 263–(in Russian). https://doi.org/10.21122/2220-9506-2018-9-3-263-271(in Russian). https://doi.org/10.21122/2220-9506-2018-9-3-263-271

The authors declare that there are no conflicts of interest present.