Определение пластичности металлов ударным вдавливанием сферического индентора

Рассмотрены вопросы измерения пластических характеристик металлов. Показано, что характеристики материалов, используемые для сравнения их пластичности, не являются сопоставимыми и зависят в разной степени от величины деформации, скорости деформации, модуля упругости. В то же время более физически обоснована величина пластичности, которая определяется по соотношению пластической деформации к общей деформации. Показано, что одним из оптимальных методов измерения пластичности (индекса пластичности) является индентирование. Изучена возможность применения для этой цели ударного микроиндентирования и предложены выражения, позволяющие рассчитать пластичность по результатам однократного вдавливания сферического индентора. Показаны особенности расчета деформации при данном виде испытаний. Установлено, что значения пластичности, получаемые исходя из соотношений глубин пластического и упругого внедрения индентора, эквивалентны значениям, рассчитываемым исходя из энергетических соотношений при ударе. Проведены экспериментальные исследования на металлах, имеющих различные твердость и вид кристаллической решетки. Впервые показано влияние скорости деформации, деформации и энергии удара (предударной скорости) на рассчитываемое значение пластичности при вдавливании сферы со скоростями деформации ~ 10³ c^–1. Показано, что при достижении деформации, соответствующей началу наступления полной пластичности при индентировании, достигается максимальная чувствительность измеряемого параметра пластичности для различных металлов.

1. Milman, Yu.V. Plasticity characteristic obtained through hardness measurement / Yu.V. Milman, B. A. Galanov, S.I. Chugunova // Acta Metallurgica et Materialia. – 1993. – Vol. 41, № 9. – P. 2523–2532. https://doi.org/10.1016/0956-7151(93)90122-9

2. Milman, Yu.V., Plasticity determined by indentation and theoretical plasticity of materials / Yu.V. Milman, S.I. Chugunova, I.V. Goncharova // Bull. Russ. Acad. Sci.: Physics. – 2009. – №73. – P. 1215–1222. https://doi.org/10.3103/S1062873809090093

3. Arunkumar, S. A review of indentation theory / S. Arunkumar // Materials Today: Proceedings. – 2018. – Vol. 5, №11, part 3. – P. 23664–23673. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2018.10.156

4. Fischer-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/10.1080/14786435.2011.652688

5. Дрозд, М.С. Определение механических свойств металла без разрушения / М. С. Дрозд. – М.: Металлургия, 1965. – 171 с.

6. Геллер, А. Л. О возможности оценки качества металлургической продукции с помощью чисел твердости / А. Л. Геллер // Заводская лаборатория. – 1970. – Т. 36, № 12. – С. 1514–1519.

7. Milman, Yu.V. Plasticity characteristic obtained by indentation technique for crystalline and noncrystalline materials in the wide temperature range / Yu. V. Milman, S.I. Chugunova, I.V. Gonсharova // High Temp. Mater. Processes. – 2006. – Vol. 25, № 1–2. – P. 39–46. https://doi.org/10.1515/HTMP.2006.25.1-2.39

8. Cheng, Y. T. Scaling, dimensional analysis, and indentation measurements / Y. T. Cheng, C. M. Cheng // Mater. Sci. Eng., R. – 2004. – Vol. 44, №4–5. – P. 91–149. https://doi.org/10.1016/j.mser.2004.05.001

9. Plasticity of Materials Determined by the Indentation Method / Yu. V. Milman [et al.] // Prog. Phys. Met. – 2018. – Vol. 19, №3. – P. 271–308. https://doi.org/10.15407/ufm.19.03.271

10. Kren, A. Determination of the physic and mechanical characteristics of isotropic pyrolitic graphite by dynamic indentation method / A. Kren, T. Protasenya // Russ. J. Nondestr. Test. – 2014. – Vol. 50, № 7. – P. 419–425. https://doi.org/10.1134/S1061830914070079

11. Kren, A. Determination of the critical stress intensity factor of glass under conditions of elastic contact by the dynamic indentation method / A. Kren // Strength of Materials. – 2009. – Vol. 41, № 6. – P. 628–636. https://doi.org/10.1007/s11223-009-9172-x

12. Kren, A. Influence of the temperature during control of of the elastic modulus of a road pavement by the local contact straining method / A. Kren // Russ. J. Nondestr. Test. – 2010. – Vol. 46, №8. – P. 611–617. https://doi.org/10.1134/S1061830910080103

13. Tabor, D. The Hardness of metals / D. Tabor. – London: Oxford Univ. Press, 1951. – 173 p. https://doi.org/10.1299/jsmemag.56.414_592_5

14. Tirupataiah, Y. A comprehensive analysis of static indentation process / Y. Tirupataiah, G. Sundararajan // Mater. Sci. Eng. – 1987. – Vol. 91. – P. 169–180. https://doi.org/10.1016/0025-5416(87)90295-3

15. Johnson, K. Contact Mechanics / K. Johnson. – Cambridge: Cambridge Univ. Press, 1985. – 452 p. https://doi.org/10.1017/CBO9781139171731

16. Oliver, W. Measurement of hardness and elastic modulus by instrumented indentation: advances in understanding and refnements to methodology / W. Oliver, G. Pharr // J. Mater. Res. – 2004. – Vol. 19, № 1. – P. 3–20. https://doi.org/10.1557/jmr.2004.19.1.3

17. Influence of the Dynamic Indentation Parameters on the Behavior of Metals during the Penetration of an Indenter with a Spherical Tip / A. P. Kren [et al.] // Russ. Metall. – 2021. – №4. – P. 563–569. https://doi.org/10.1134/S0036029521040170

18. Kren A. Determination of the relaxation function for viscoelastic materials at low velocity impact / A. Kren, A. Naumov // Int. J. Impact Eng. – 2010. – Vol. 37, №2. – P. 170–176. https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2009.08.001

19. Mesarovic, S.Dj. Spherical indentation of elastic–plastic solids / S.Dj. Mesarovic, N.A. Fleck // Proc. R. Soc. Lond. A. – 1999. – Vol. 455. – P. 2707–2728. https://doi.org/10.1098/rspa.1999.0423