Материал: Экспериментальные методы исследований. Калинин Ю.Е

рующий глубину погружения зонда-индентора во времени, электронный контроллер, осуществляющий первичную обработку информации и управление прибором, персональный компьютер с пакетом специальных программ.

В качестве индентора при наноиндентировании используют, как правило, трехгранную алмазную пирамиду Берковича заточки 65,3о. Выбор такой формы индентора обусловлен тем, что ему можно придать гораздо большую остроту, чем четырехгранной пирамиде. Угол при вершине в пирамиде мБерковича принят из условия равенства площадей отпечатков с идеальной четырехгранной пирамидой Виккерса при равенстве глубин их погружения в исследуемый материал.

Источником информации о материале при наноиндентировании является непрерывно регистрируемая зависимость величины смещения индентора h от величины приложенной нормальной нагрузки Р (рис. 4.32). Полученная в результате диаграмма (сила внедрения - глубина погружения) аналогична по смыслу традиционной диаграмме σ- при одноосном растяжении/сжатии. Из полученной зависимости может быть извлечено более десятка параметров, характеризующих материал на наноуровне (в том числе и времязависимые), а после специальной обработки восстановлена и кривая σ- . В результате развития метод наноиндентирования вышел далеко за рамки чисто метрологического определения твердости и модуля упругости.

Специфическая особенность локального нагружения индентора состоит в измерении характерных размеров отпечатка и вовлеченного в деформацию объема материала на несколько порядков величины в процессе одного цикла испытания. Вследствие этого и скорость относительной деформации сильно уменьшается по мере роста глубины проникновения индентора от начала к концу испытания. При малых h ~ 10 нм даже весьма умеренные линейные скорости внедрения индентора (dh/dt~1 mm/c) обеспечивают достижение значений > 105 с-1,

216

которые характерны для деформации взрывом на поверхности образца.

Другая особенность испытания индентированием состоит в том, что среднее контактное давление в отпечатке р (твердость по Мейеру) достигает в упругой области некоторой конечной величины, которая при последующем погружении практически не меняется несмотря на то, что сила вдавливания и глубина отпечатка продолжают нарастать.

Таким образом, в отличие от одноосного растяжения/сжатия, где образец испытывается под действием растущих напряжений и в условиях увеличивающейся с постоянной скоростью деформации, непрерывное наноиндентирование обеспечивает сканирование по размерам деформированной области и скорости относительной деформации на несколько порядков величины во время одного испытания.

Рис. 4.32. Диаграмма нагружения Р-h

217

Современные методы обработки результатов наноиндентирования позволяют разделить вклад масштабного и скоростного факторов и получить большой объем информации с одного образца, не разрушая его. Это дает большие преимущества при испытании наноструктурированных или наноразмерных объектов.

В итоге наноиндентирование позволяет решать следующие задачи:

-измерять твердость и модуль Юнга;

-выявлять сопротивление чисто упругому локальному деформированию в наноконтакте;

-определять критическую нагрузку перехода от чисто упругой в упругопластическую область при локальном деформировании;

-определять упругопластические характеристики материалов, не поддающихся пластическому деформированию в макроопытах (керамики, нитриды, бориды и т.д.);

-устанавливать коэффициент вязкости разрушения и энергию разрушения по скачкам на Р-h – диаграмме;

-оценивать анизотропию механических свойств;

-оценивать величину и распределение внутренних напряжений;

-выявлять причины неустойчивости пластического тече-

ния;

-решать другие задачи физического материаловедения.

4.12.6. Другие методы определения твердости

Помимо методов определения твердости при статическом вдавливании индентора ограниченно применяют также методы царапания и динамические способы оценки твердости.

Метод царапания состоит в нанесении царапины на поверхности образца алмазным или другим недеформирующимся индентором, находящимся под постоянной нагрузкой. Метод не стандартизован, и на практике используют различ-

218

ные критерии твердости царапанием Hц. Часто за Hц принимают одну из следующих характеристик:

1)величину нагрузки Р, при которой получается царапина заданной ширины (обычно b = 10 мкм);

2)ширину царапины при заданной нагрузке;

3)величину, обратно пропорциональную ширине или квадрату ширины царапины при определенной нагрузке, на-

пример HЦ = 10000/b2 при Р = 0,3 Н. Наиболее правильно, по-видимому, оценивать число твердости царапанием как отношение вертикальной нагрузки Р к проекции царапины на поверхности образца: Hц = 4Р/b2.

Вэтом случае единица измерения Hц получается такой же, как и других чисел твердости, определяемых при вдавливании индентора.

Вкачестве индентора используют либо конус с углом при вершине 90° (реже 120°), либо трехили четырехгранную пирамиду. Образцы перед испытанием полируют. Для измерения ширины царапины, не превышающей обычно несколько десятков микрометров, применяют измерительный микроскоп.

Твердость методом царапания определяют в условиях местного разрушения металла, а не в условиях упругого или пластического деформирования. При образовании царапины металл сначала пластически деформируется, а затем, когда напряжения достигают величины, соответствующей сопротивлению разрушению (путем среза), происходит разрыв. Так как для одного и того же металла истинное сопротивление разры-

ву Sk практически не зависит от степени предварительного наклепа, величина Hц не связана со способом подготовки поверхности.

Из динамических методов определения твердости наиболее известен метод упругого отскока бойка (твердость по Шору). Твердость определяется при помощи бойка с алмазным наконечником, который падает на поверхность образца с фиксированной высоты. Энергия бойка расходуется на упругую и пластическую деформацию в месте удара и на последующее

219

поднятие бойка. Чем больше высота подъема бойка после удара, тем, следовательно, меньшая энергия израсходована на деформацию образца и тем больше должна быть его твердость. Число твердости по Шору HSD измеряют в условных единицах, соответствующих высоте подъема бойка, причем HSD = 100 принято для закаленной на мартенсит эвтектоидной инструментальной стали.

При комнатной температуре метод Шора используют для сравнения твердых металлических сплавов с близкими упругими характеристиками. Кратковременность соприкосновения бойка с образцом и простота метода делают его перспективным для оценки твердости при высоких температурах (>1400 К), когда существующие материалы инденторов уже не позволяют проводить статические испытания.

5. НЕПОЛНАЯ УПРУГОСТЬ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

ИВНУТРЕННЕЕ ТРЕНИЕ

5.1.Понятие неупругости и внутреннего трения

Вобласти упругой деформации, где действует закон Гука,

уметаллов и сплавов наблюдается ряд отклонений от чисто упругого поведения. Одним из известных проявлений неполной упругости металлов является упругое последействие. Оно свидетельствует о том, что не вся обратимая деформация металла является чисто упругой. Возьмем образец и создадим в нем напряжение в пределах упругого участка кривой напряжение - деформация. После разгрузки такой образец будет иметь те же размеры, что и до нагружения. Проследим, как будет изменяться его удлинение во времени под действием приложенного напряжения и после разгрузки. Соответствующая диаграмма представлена на рис. 5.1. Оказывается, что наш образец деформируется чисто упруго, т. е. с очень большой скоростью лишь на величину ОС, а затем удлиняется медленнее, по закону, близкому к параболическому. После разгрузки в точке К происходит очень быстрое снятие чисто упругой деформации

220