Пластометрия с индентированием
Подход к механическим испытаниям металлов

Пластометрия индентирования — это идея использования процедуры, основанной на индентировании, для получения (объемных) механических свойств (металлов) в форме соотношений напряжение-деформация в пластическом режиме (в отличие от испытания на твердость , которое дает числа, которые являются лишь полуколичественными индикаторами сопротивления пластической деформации). Поскольку индентирование — гораздо более простая и удобная процедура, чем обычные испытания на растяжение , с гораздо большим потенциалом для отображения пространственных изменений, это привлекательная концепция (при условии, что результат будет по крайней мере приблизительно таким же надежным, как и у стандартных одноосных испытаний).

Основные требования

Захват макроскопических (независимых от размера) свойств приводит к требованию [1] [2] [3] [4] деформировать объем материала, который достаточно велик, чтобы быть репрезентативным для основной массы. Это зависит от микроструктуры , но обычно означает, что он должен содержать «много» зерен и, как правило, имеет порядок сотен микрометров в линейных размерах. Эффект размера индентирования , при котором измеренная твердость имеет тенденцию увеличиваться по мере того, как деформированный объем становится малым, по крайней мере частично обусловлен неспособностью опросить репрезентативный объем. Поэтому индентор, который обычно является сферическим, должен иметь радиус в приблизительном диапазоне от нескольких сотен микрометров до одного или двух миллиметров.

Еще одно требование касается пластических деформаций, возникающих в образце. Реакция на индентирование должна быть чувствительна к пластическим характеристикам материала в интересующем диапазоне деформаций, который обычно простирается по крайней мере до нескольких % и часто до нескольких десятков %. Деформации, возникающие в образце, должны, следовательно, также достигать значений этого порядка. Обычно это требует, чтобы «коэффициент проникновения» (глубина проникновения по радиусу индентора) составлял по крайней мере около 10%. Наконец, в зависимости от твердости металла, это, в свою очередь, требует, чтобы установка имела относительно высокую нагрузочную способность — обычно порядка нескольких кН.

Экспериментальные результаты

Простейшие процедуры индентирования, которые использовались в течение многих десятилетий, включают приложение заранее определенной нагрузки (часто от собственного веса) с последующим измерением поперечного размера остаточного отпечатка (или, возможно, его глубины). Однако многие процедуры индентирования в настоящее время основаны на «инструментальных» установках, в которых нагрузка постепенно увеличивается, и как нагрузка, так и проникновение (смещение) непрерывно контролируются во время индентирования. Таким образом, ключевым экспериментальным результатом является кривая нагрузка-смещение. Для создания таких кривых можно использовать различные типы оборудования. К ним относятся те, которые предназначены для выполнения так называемого « наноиндентирования », для которого как нагрузка (вплоть до диапазона мН), так и смещение (обычно субмикронное) очень малы. Однако, как отмечалось выше, если деформированный объем мал, то невозможно получить «объемные» свойства. Более того, даже при относительно больших нагрузках и смещениях может потребоваться своего рода «коррекция податливости», чтобы отделить реакцию образца от смещений, связанных с системой нагружения.

Другой основной формой экспериментального результата является форма остаточного отпечатка. Как упоминалось выше, ранние типы твердомеров фокусировались на этом, в форме (относительно грубого) измерения «ширины» отпечатка — обычно с помощью простой оптической микроскопии. Однако гораздо более богатую информацию можно извлечь, используя профилометр (оптический или щуповой) для получения полной формы остаточного отпечатка. При использовании сферического индентора (и образца, который изотропен в плоскости вдавленной поверхности) отпечаток будет демонстрировать радиальную симметрию, и его форму можно зафиксировать в виде одного профиля (глубины против радиального положения). Детали этой формы (для заданной приложенной нагрузки) демонстрируют высокую чувствительность к соотношению напряжения и деформации образца. [5] [6] [7] Кроме того, ее легче получить, чем кривую нагрузка-смещение, отчасти потому, что во время нагрузки не нужно проводить измерения. Наконец, такая профилометрия имеет потенциал для обнаружения и характеристики [8] [9] [10] [11] [12] анизотропии образца (тогда как кривые нагрузка-смещение не несут такой информации).

Процедуры решения

Развились два основных подхода к получению соотношений напряжение-деформация из результатов экспериментального индентирования (кривые нагрузка-смещение или профили остаточного индентирования). Более простой из двух включает прямое «преобразование» кривой нагрузка-смещение. Обычно это делается [13] [14] путем получения серии «эквивалентных», «эффективных» или «репрезентативных» значений напряжения в нагруженной части образца (от приложенной нагрузки) и соответствующего набора значений деформации в деформированной области (от смещения). Предположения, используемые при выполнении таких преобразований, неизбежно являются очень грубыми, поскольку (даже для сферического индентора) поля как напряжения, так и деформации внутри образца являются весьма сложными и развиваются на протяжении всего процесса — на рисунке показаны некоторые типичные поля пластической деформации. Обычно используются различные эмпирические поправочные коэффициенты, при этом иногда применяются процедуры «обучения» нейронной сети [15] [16] к наборам данных нагрузка-смещение и соответствующим кривым напряжение-деформация, чтобы помочь оценить их. Также часто нагрузка периодически прерывается, и данные процедур частичной разгрузки используются для преобразования. Однако неудивительно, что универсальные преобразования такого типа (применяемые к образцам с неизвестными кривыми напряжения-деформации) имеют тенденцию быть ненадежными [17] [18] [19] и в настоящее время широко признано, что эту процедуру нельзя использовать с какой-либо уверенностью.

(a) Поля МКЭ эквивалентной пластической деформации после сферического индентирования с коэффициентом проникновения около 20% для экструдированных и отожженных медных образцов, и (b) соответствующие измеренные и смоделированные профили индентирования

Другой основной подход более громоздкий, хотя и с гораздо большим потенциалом для получения надежных результатов. Он включает в себя итеративное численное ( метод конечных элементов – FEM) моделирование процедуры индентирования. Сначала это делается с пробным соотношением напряжение-деформация (в форме аналитического выражения – часто называемого конститутивным уравнением ), за которым следует сходимость по наилучшей подходящей версии (набор значений параметров в уравнении), что дает оптимальное соответствие между экспериментальными и смоделированными результатами (графики нагрузки-смещения или профили остаточного индентирования). Эта процедура полностью охватывает сложность развивающихся полей напряжений и деформаций во время индентирования. Хотя она основана на относительно интенсивных модельных вычислениях, были разработаны протоколы, в которых сходимость автоматизирована и быстра.

Пластометрия вдавливания на основе профилометрии (PIP)

Стало ясно, что использование профиля остаточного отпечатка в качестве целевого результата, а не кривой нагрузка-смещение, дает важные преимущества. К ним относятся более простое измерение, большая чувствительность экспериментального результата к соотношению напряжение-деформация и потенциал для обнаружения и характеристики анизотропии образца – см. выше. Рисунок дает представление о чувствительности профиля к кривой напряжение-деформация материала. Таким образом, термин PIP охватывает следующие особенности: 1) Получение кривых напряжение-деформация, характерных для основной массы материала (используя относительно большие сферические инденторы и относительно глубокое проникновение), 2) Экспериментальное измерение профиля остаточного отпечатка и 3) Итеративное моделирование FEM испытания на вдавливание для получения кривой напряжение-деформация (зафиксированной в основном уравнении), которая дает наилучшее соответствие между смоделированными и измеренными профилями.

Для удобного и легкого в использовании применения необходим интегрированный комплекс, в котором процедуры индентирования, профилометрии и сходимости на оптимальной кривой напряжения-деформации находятся под автоматизированным управлением.

Ссылки

  1. ^ Ченг, Y (2004). «Масштабирование, размерный анализ и измерения индентирования». Materials Science and Engineering: R: Reports . 44 (4–5): 91–149. doi :10.1016/j.mser.2004.05.001.
  2. ^ Остоя-Старжевски, М (2006). «Материальная пространственная случайность: от статистического до представительного элемента объема». Вероятностная инженерная механика . 21 (2): 112–132. doi :10.1016/j.probengmech.2005.07.007.
  3. ^ Ротерс, Ф (2010). «Обзор конститутивных законов, кинематики, гомогенизации и многомасштабных методов в конечно-элементном моделировании пластичности кристаллов: теория, эксперименты, приложения». Acta Materialia . 58 (4): 1152–1211. Bibcode : 2010AcMat..58.1152R. doi : 10.1016/j.actamat.2009.10.058.
  4. ^ Voyiadjis, G (2017). «Обзор эффекта размера наноиндентирования: эксперименты и атомистическое моделирование». Кристаллы . 7 (10): 321. doi : 10.3390/cryst7100321 .
  5. ^ Бользон, Г. (2004). «Калибровка модели материала с помощью индентирования, картирования отпечатков и обратного анализа». Международный журнал твердых тел и структур . 41 (11–12): 2957–2975. doi :10.1016/j.ijsolstr.2004.01.025.
  6. ^ Ли, Дж. (2009). «Обратный анализ наноиндентирования с использованием различных репрезентативных деформаций и профилей остаточного индентирования». Материалы и дизайн . 30 (9): 3395–3404. doi :10.1016/j.matdes.2009.03.030.
  7. ^ Кэмпбелл, Дж. (2019). «Сравнение графиков зависимости деформации от напряжения, полученных с помощью пластометрии индентирования, на основе профилей остаточного индентора и одноосного испытания». Acta Materialia . 168 : 87–99. Bibcode : 2019AcMat.168...87C. doi : 10.1016/j.actamat.2019.02.006.
  8. ^ Боччарелли, М. (2005). «Идентификация параметров в анизотропной упругопластичности с помощью индентирования и отображения отпечатков». Механика материалов . 37 (8): 855–868. doi :10.1016/j.mechmat.2004.09.001.
  9. ^ Ёнэдзу, А (2009). «Оценка анизотропных пластических свойств с использованием одиночного сферического индентирования — исследование FEM». Computational Materials Science . 47 (2): 611–619. doi :10.1016/j.commatsci.2009.10.003.
  10. ^ Zambaldi, C (2010). «Пластическая анизотропия гамма-TiAl, выявленная осесимметричным индентированием». Acta Materialia . 58 (9): 3516–3530. Bibcode : 2010AcMat..58.3516Z. doi : 10.1016/j.actamat.2010.02.025. hdl : 11858/00-001M-0000-0019-3BCC-D .
  11. ^ Чжан, X (2017). «Идентификация пластической анизотропии с использованием сферического индентирования по различным анизотропным критериям текучести». Engineering Computations . 34 (7): 2268–2299. doi :10.1108/ec-01-2017-0015.
  12. ^ Тан, И (2021). «Использование индентационной пластометрии на основе профилометрии для получения кривых напряжения-деформации для небольших компонентов из суперсплавов, изготовленных методом аддитивного производства». Materialia . 15 : 101017. doi :10.2139/ssrn.3746800. S2CID  234579523.
  13. ^ Ким, Дж. (2006). «Определение свойств растяжения с помощью техники инструментального индентирования: подход с использованием репрезентативного напряжения и деформации». Технология поверхностей и покрытий . 201 (7): 4278–4283. doi :10.1016/j.surfcoat.2006.08.054.
  14. ^ Hernot, X (2014). «Изучение концепции представительной деформации и фактора ограничений, введенных индентированием по Виккерсу». Механика материалов . 68 : 1–14. doi :10.1016/j.mechmat.2013.07.004. S2CID  17603877.
  15. ^ Huber, N (1999). «Определение конститутивных свойств из данных сферического индентирования с использованием нейронных сетей. Часть I: случай чистого кинематического упрочнения в законах пластичности». Журнал механики и физики твердого тела . 47 (7): 1569–1588. Bibcode : 1999JMPSo..47.1569H. doi : 10.1016/s0022-5096(98)00109-4.
  16. ^ Махмуди, А (2012). «Альтернативный подход к определению характеристик материала с использованием сферического индентирования и нейронных сетей для объемных металлов» (PDF) . Журнал испытаний и оценки . 40 (2): 211–219. doi :10.1520/jte103897.
  17. ^ Jeon, E (2009). «Метод оценки неопределенности свойств растяжения при вдавливании в инструментальном испытании на вдавливание». Журнал инженерных материалов и технологий . 131 (3): 6. doi :10.1115/1.3120391.
  18. ^ Чанг, С (2018). «Репрезентативная кривая напряжение-деформация при сферическом вдавливании упругопластических материалов». Достижения в материаловедении и машиностроении . 8316384 : 1–9. doi : 10.1155/2018/8316384 .
  19. ^ Хуан, Ф (2021). «Неопределенности в репрезентативном напряжении и деформации индентирования с использованием сферического наноиндентирования». Applied Nanoscience . 13 (3): 895–909. Bibcode :2021ApNan..11..895H. doi :10.1007/s13204-020-01646-x. S2CID  231745165.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Пластометрия_вдавливания&oldid=1189196153"