Индентационная пластометрия

Индентационная пластометрия — это идея использования процедуры, основанной на индентировании, для получения (объемных) механических свойств (металлов) в форме зависимостей «напряжение-деформация» в пластическом режиме (в отличие от испытаний на твердость , которые дают лишь полу-значительные значения). количественные показатели сопротивления пластической деформации). Поскольку вдавливание является гораздо более простой и удобной процедурой, чем обычные испытания на растяжение , с гораздо большим потенциалом для картирования пространственных изменений, это привлекательная концепция (при условии, что результат будет, по крайней мере, примерно таким же надежным, как и результаты стандартных одноосных испытаний).

Основные требования

Учет макроскопических (независимых от размера) свойств требует ^[1]^[2]^[3]^[4] деформировать объем материала, который достаточно велик, чтобы быть репрезентативным для всей массы. Это зависит от микроструктуры порядка сотен микрон , но обычно означает, что она должна содержать «много» зерен и обычно имеет линейные размеры . Эффект размера отпечатка , 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 имеет сферическую форму, должен иметь радиус от нескольких сотен микрон до одного-двух мм.

Еще одно требование касается пластических деформаций, возникающих в образце. Реакция на вдавливание должна быть чувствительной к характеристикам пластичности материала в интересующем диапазоне деформаций, который обычно простирается как минимум до нескольких %, а обычно до нескольких десятков %. Поэтому штаммы, созданные в образце, также должны достигать значений этого порядка. Обычно для этого требуется, чтобы «коэффициент проникновения» (глубина проникновения по радиусу индентора) составлял по меньшей мере около 10%. Наконец, в зависимости от твердости металла это, в свою очередь, требует, чтобы установка имела сравнительно высокую нагрузочную способность – обычно порядка нескольких кН.

Экспериментальные результаты

Простейшие процедуры вдавливания, которые используются уже много десятилетий, включают приложение заранее определенной нагрузки (часто от собственного груза) с последующим измерением поперечного размера остаточного вмятина (или, возможно, его глубины). Однако многие процедуры вдавливания в настоящее время основаны на «инструментальных» установках, в которых нагрузка постепенно увеличивается, а нагрузка и проникновение (перемещение) постоянно контролируются во время вдавливания. Таким образом, ключевым экспериментальным результатом является кривая смещения нагрузки. Для создания таких кривых можно использовать различные типы оборудования. К ним относятся те, которые предназначены для проведения так называемого « наноиндентирования », для которого как нагрузка (вплоть до диапазона мН), так и смещение (обычно субмикронное) очень малы. Однако, как отмечалось выше, если деформируемый объем мал, то получить «объемные» свойства не удастся. 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, первые типы твердомеров фокусировались на этом в форме (относительно грубого) измерения «ширины» отпечатка – обычно с помощью простой оптической микроскопии. Однако гораздо более подробную информацию можно получить, используя профилометр (оптический или щуповый) для получения полной формы остаточного отпечатка. При использовании сферического индентора (и образца, который изотропен в плоскости индентированной поверхности) отпечаток будет проявлять радиальную симметрию, и его форма может быть зафиксирована в виде единого профиля (глубины относительно радиального положения). Детали такой формы (при заданной приложенной нагрузке) проявляют высокую чувствительность к зависимости напряжения от деформации образца. ^[5]^[6]^[7] Кроме того, ее легче получить, чем кривую перемещения нагрузки, отчасти потому, что во время нагрузки не требуется проводить измерения. Наконец, такая профилометрия имеет потенциал для обнаружения и характеристики ^[8]^[9]^[10]^[11]^[12] анизотропии образца (тогда как кривые нагрузки-перемещения не несут такой информации).

Процедуры решения

Для получения зависимостей «напряжение-деформация» на основе результатов экспериментального вдавливания были разработаны два основных подхода (кривые нагрузки-перемещения или остаточные профили вмятин). Более простой из двух вариантов предполагает прямое «преобразование» кривой смещения нагрузки. Обычно это делается ^[13]^[14] путем получения ряда «эквивалентных», «эффективных» или «репрезентативных» значений напряжений в нагруженной части образца (по приложенной нагрузке) и соответствующего набора значений деформации в деформируемой области (по смещению ). Допущения, связанные с проведением таких преобразований, неизбежно являются очень грубыми, поскольку (даже для сферического индентора) поля как напряжений, так и деформаций внутри образца очень сложны и изменяются на протяжении всего процесса - на рисунке показаны некоторые типичные поля пластической деформации. Обычно используются различные эмпирические поправочные коэффициенты, нейронной сети. иногда применяются процедуры «обучения» ^[15]^[16] к наборам данных о нагрузке-перемещении и соответствующим кривым напряжения-деформации, чтобы помочь их оценить. Также часто загрузка периодически прерывается и при преобразовании используются данные процедур частичной выгрузки. Однако неудивительно, что универсальные преобразования этого типа (примененные к образцам с неизвестными кривыми растяжения-деформации), как правило, ненадежны. ^[17]^[18]^[19] и в настоящее время широко признано, что эту процедуру нельзя использовать с какой-либо уверенностью.

Другой основной подход является более громоздким, хотя и имеет гораздо больший потенциал для получения надежных результатов. Он включает в себя итеративное численное ( метод конечных элементов – МКЭ) моделирование процедуры вдавливания. Сначала это делается с помощью пробного соотношения «напряжение-деформация» (в форме аналитического выражения, часто называемого определяющим уравнением ), после чего следует сходимость к наиболее подходящей версии (набору значений параметров в уравнении), что дает оптимальное согласие между экспериментальными и смоделированные результаты (графики смещения нагрузки или профили остаточных вмятин). Эта процедура полностью отражает сложность развивающихся полей напряжений и деформаций во время вдавливания. Хотя он основан на относительно интенсивных вычислениях моделирования, были разработаны протоколы, в которых сходимость является автоматизированной и быстрой.

Индентационная пластометрия на основе профилометрии (PIP)

Стало ясно, что важные преимущества дает использование профиля остаточного вмятина в качестве целевого результата, а не кривой смещения нагрузки. К ним относятся более простое измерение, более высокая чувствительность результатов эксперимента к взаимосвязи напряжения и деформации, а также возможность обнаружения и характеристики анизотропии образца – см. выше. Рисунок показывает чувствительность профиля к кривой растяжения материала. Таким образом, термин PIP включает в себя следующие характеристики:1) Получение кривых растяжения, характерных для объема материала (путем использования относительно крупных сферических инденторов и относительно глубокого проникновения), 2) Экспериментальное измерение профиля остаточного отпечатка и 3) Итеративное моделирование испытания на вдавливание методом конечных элементов для получения кривой растяжения-деформации (записанной в материальном уравнении), которая обеспечивает наилучшее соответствие между смоделированными и измеренными профилями.

Для удобного и удобного применения необходим интегрированный комплекс, в котором процедуры индентирования, профилометрии и сходимости на оптимальной кривой растяжения-деформации находятся под автоматическим контролем.

Ссылки

^ Ченг, Ю (2004). «Масштабирование, размерный анализ и измерения отпечатков» . Материаловедение и инженерия: R: Отчеты . 44 (4–5): 91–149. дои : 10.1016/j.mser.2004.05.001 .
^ Остоя-Старжевски, М (2006). «Материальная пространственная случайность: от статистического к репрезентативному элементу объема». Вероятностная инженерная механика . 21 (2): 112–132. doi : 10.1016/j.probengmech.2005.07.007 .
^ Ротерс, Ф (2010). «Обзор основных законов, кинематики, гомогенизации и многомасштабных методов конечно-элементного моделирования пластичности кристаллов: теория, эксперименты, приложения». Акта Материалия . 58 (4): 1152–1211. Бибкод : 2010AcMat..58.1152R . дои : 10.1016/j.actamat.2009.10.058 .
^ Вояджис, Г (2017). «Обзор эффекта размера наноиндентирования: эксперименты и атомистическое моделирование» . Кристаллы . 7 (10): 321. дои : 10.3390/cryst7100321 .
^ Бользон, Дж. (2004). «Калибровка модели материала методом вдавливания, картирования отпечатков и обратного анализа». Международный журнал твердых тел и структур . 41 (11–12): 2957–2975. doi : 10.1016/j.ijsolstr.2004.01.025 .
^ Ли, Дж (2009). «Обратный анализ наноиндентирования с использованием различных репрезентативных штаммов и профилей остаточных отпечатков». Материалы и дизайн . 30 (9): 3395–3404. дои : 10.1016/j.matdes.2009.03.030 .
^ Кэмпбелл, Дж (2019). «Сравнение графиков напряжения-деформации, полученных в результате индентационной пластометрии на основе остаточных профилей отпечатков и в результате одноосных испытаний». Акта Материалия . 168 : 87–99. Бибкод : 2019AcMat.168...87C . дои : 10.1016/j.actamat.2019.02.006 .
^ Боччарелли, М (2005). «Идентификация параметров анизотропной упругопластичности путем индентирования и картирования отпечатков». Механика материалов . 37 (8): 855–868. дои : 10.1016/j.mechmat.2004.09.001 .
^ Ёнезу, А (2009). «Оценка анизотропных пластических свойств с использованием одиночного сферического отпечатка - исследование методом конечных элементов». Вычислительное материаловедение . 47 (2): 611–619. дои : 10.1016/j.commatsci.2009.10.003 .
^ Замбальди, К. (2010). «Пластическая анизотропия гамма-TiAl, выявленная методом осесимметричного отпечатка». Акта Материалия . 58 (9): 3516–3530. Бибкод : 2010AcMat..58.3516Z . дои : 10.1016/j.actamat.2010.02.025 . hdl : 11858/00-001M-0000-0019-3BCC-D .
^ Жан, X (2017). «Идентификация пластической анизотропии с использованием сферического отпечатка по различным критериям анизотропной текучести». Инженерные расчеты . 34 (7): 2268–2299. дои : 10.1108/ec-01-2017-0015 .
^ Тан, Ю (2021). «Использование индентационной пластометрии на основе профилометрии для получения кривых напряжения-деформации небольших деталей из суперсплавов, изготовленных методом аддитивного производства». Материалия . 15 : 101017. дои : 10.2139/ssrn.3746800 . S2CID 234579523 .
^ Ким, Дж (2006). «Определение свойств растяжения с помощью инструментального метода вдавливания: подход к репрезентативному напряжению и деформации». Технология поверхностей и покрытий . 201 (7): 4278–4283. doi : 10.1016/j.surfcoat.2006.08.054 .
^ Хернот, X (2014). «Исследование концепции репрезентативной деформации и фактора ограничения, введенного отпечатком Виккерса». Механика материалов . 68 : 1–14. дои : 10.1016/j.mechmat.2013.07.004 . S2CID 17603877 .
^ Хубер, Н. (1999). «Определение конструктивных свойств по данным сферического вдавливания с использованием нейронных сетей. Часть I: случай чистого кинематического упрочнения в законах пластичности». Журнал механики и физики твердого тела . 47 (7): 1569–1588. Бибкод : 1999JMPSo..47.1569H . дои : 10.1016/s0022-5096(98)00109-4 .
^ Махмуди, А (2012). «Альтернативный подход к определению характеристик материала с использованием сферического отпечатка и нейронных сетей для сыпучих металлов» (PDF) . Журнал тестирования и оценки . 40 (2): 211–219. дои : 10.1520/jte103897 .
^ Чон, Э. (2009). «Метод оценки неопределенности свойств растяжения при вдавливании при инструментальном испытании на вдавливание». Журнал инженерных материалов и технологий . 131 (3): 6. дои : 10.1115/1.3120391 .
^ Чанг, К. (2018). «Репрезентативная кривая напряжения-деформации при сферическом отпечатке на упругопластических материалах» . Достижения в области материаловедения и инженерии . 8316384 : 1–9. дои : 10.1155/2018/8316384 .
^ Хуанг, Ф (2021). «Неопределенности в репрезентативных напряжениях и деформациях при вдавливании при использовании сферического наноиндентирования». Прикладная нанонаука . 13 (3): 895–909. Бибкод : 2021ApNan..11..895H . дои : 10.1007/s13204-020-01646-x . S2CID 231745165 .

[Cheng_review-1] Ченг, Ю (2004). «Масштабирование, размерный анализ и измерения отпечатков» . Материаловедение и инженерия: R: Отчеты . 44 (4–5): 91–149. дои : 10.1016/j.mser.2004.05.001 .

[Statistics-2] Остоя-Старжевски, М (2006). «Материальная пространственная случайность: от статистического к репрезентативному элементу объема». Вероятностная инженерная механика . 21 (2): 112–132. doi : 10.1016/j.probengmech.2005.07.007 .

[Raabe_group_overview-3] Ротерс, Ф (2010). «Обзор основных законов, кинематики, гомогенизации и многомасштабных методов конечно-элементного моделирования пластичности кристаллов: теория, эксперименты, приложения». Акта Материалия . 58 (4): 1152–1211. Бибкод : 2010AcMat..58.1152R . дои : 10.1016/j.actamat.2009.10.058 .

[Nanoindent_size_effect-4] Вояджис, Г (2017). «Обзор эффекта размера наноиндентирования: эксперименты и атомистическое моделирование» . Кристаллы . 7 (10): 321. дои : 10.3390/cryst7100321 .

[Bolzon_mapping-5] Бользон, Дж. (2004). «Калибровка модели материала методом вдавливания, картирования отпечатков и обратного анализа». Международный журнал твердых тел и структур . 41 (11–12): 2957–2975. doi : 10.1016/j.ijsolstr.2004.01.025 .

[Lee_inverse-6] Ли, Дж (2009). «Обратный анализ наноиндентирования с использованием различных репрезентативных штаммов и профилей остаточных отпечатков». Материалы и дизайн . 30 (9): 3395–3404. дои : 10.1016/j.matdes.2009.03.030 .

[Campbell_compare-7] Кэмпбелл, Дж (2019). «Сравнение графиков напряжения-деформации, полученных в результате индентационной пластометрии на основе остаточных профилей отпечатков и в результате одноосных испытаний». Акта Материалия . 168 : 87–99. Бибкод : 2019AcMat.168...87C . дои : 10.1016/j.actamat.2019.02.006 .

[Anisotropy_1-8] Боччарелли, М (2005). «Идентификация параметров анизотропной упругопластичности путем индентирования и картирования отпечатков». Механика материалов . 37 (8): 855–868. дои : 10.1016/j.mechmat.2004.09.001 .

[Anisotropy_2-9] Ёнезу, А (2009). «Оценка анизотропных пластических свойств с использованием одиночного сферического отпечатка - исследование методом конечных элементов». Вычислительное материаловедение . 47 (2): 611–619. дои : 10.1016/j.commatsci.2009.10.003 .

[Anisotropy_3-10] Замбальди, К. (2010). «Пластическая анизотропия гамма-TiAl, выявленная методом осесимметричного отпечатка». Акта Материалия . 58 (9): 3516–3530. Бибкод : 2010AcMat..58.3516Z . дои : 10.1016/j.actamat.2010.02.025 . hdl : 11858/00-001M-0000-0019-3BCC-D .

[Anisotropy_4-11] Жан, X (2017). «Идентификация пластической анизотропии с использованием сферического отпечатка по различным критериям анизотропной текучести». Инженерные расчеты . 34 (7): 2268–2299. дои : 10.1108/ec-01-2017-0015 .

[Anisotropy_5-12] Тан, Ю (2021). «Использование индентационной пластометрии на основе профилометрии для получения кривых напряжения-деформации небольших деталей из суперсплавов, изготовленных методом аддитивного производства». Материалия . 15 : 101017. дои : 10.2139/ssrn.3746800 . S2CID 234579523 .

[Equivalent_values_1-13] Ким, Дж (2006). «Определение свойств растяжения с помощью инструментального метода вдавливания: подход к репрезентативному напряжению и деформации». Технология поверхностей и покрытий . 201 (7): 4278–4283. doi : 10.1016/j.surfcoat.2006.08.054 .

[Equivalent_values_2-14] Хернот, X (2014). «Исследование концепции репрезентативной деформации и фактора ограничения, введенного отпечатком Виккерса». Механика материалов . 68 : 1–14. дои : 10.1016/j.mechmat.2013.07.004 . S2CID 17603877 .

[Neural_network_1-15] Хубер, Н. (1999). «Определение конструктивных свойств по данным сферического вдавливания с использованием нейронных сетей. Часть I: случай чистого кинематического упрочнения в законах пластичности». Журнал механики и физики твердого тела . 47 (7): 1569–1588. Бибкод : 1999JMPSo..47.1569H . дои : 10.1016/s0022-5096(98)00109-4 .

[Neural_network_2-16] Махмуди, А (2012). «Альтернативный подход к определению характеристик материала с использованием сферического отпечатка и нейронных сетей для сыпучих металлов» (PDF) . Журнал тестирования и оценки . 40 (2): 211–219. дои : 10.1520/jte103897 .

[IIT_reliability_1-17] Чон, Э. (2009). «Метод оценки неопределенности свойств растяжения при вдавливании при инструментальном испытании на вдавливание». Журнал инженерных материалов и технологий . 131 (3): 6. дои : 10.1115/1.3120391 .

[IIT_reliability_2-18] Чанг, К. (2018). «Репрезентативная кривая напряжения-деформации при сферическом отпечатке на упругопластических материалах» . Достижения в области материаловедения и инженерии . 8316384 : 1–9. дои : 10.1155/2018/8316384 .

[IIT_reliability_3-19] Хуанг, Ф (2021). «Неопределенности в репрезентативных напряжениях и деформациях при вдавливании при использовании сферического наноиндентирования». Прикладная нанонаука . 13 (3): 895–909. Бибкод : 2021ApNan..11..895H . дои : 10.1007/s13204-020-01646-x . S2CID 231745165 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]