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-значения). количественные показатели устойчивости к 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).
Регистрация макроскопических (независимых от размера) свойств приводит к необходимости [1] [2] [3] [4] деформировать объем материала, который достаточно велик, чтобы быть репрезентативным для всего объема. Это зависит от микроструктуры , но обычно означает, что она должна содержать «много» зерен и обычно имеет линейные размеры порядка сотен микрон . 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.
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 результатом эксперимента 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).
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 (от приложенной нагрузки) и соответствующего набора значений деформация в деформируемой области (от смещения). 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, при этом процедуры «обучения» нейронной сети иногда применяются [15] [16] к наборам данных о нагрузке-перемещении и соответствующим кривым «напряжение-деформация», чтобы помочь оценить их. 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.
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, большая чувствительность результатов эксперимента к взаимосвязи напряжения и деформации, а также возможность обнаружения и характеристики анизотропии образца – см. выше. На рисунке показана чувствительность профиля к кривой растяжения материала. Таким образом, термин PIP охватывает следующие функции: 1) получение кривых растяжения-деформации, характерных для объема материала (путем использования относительно больших сферических инденторов и относительно глубокого проникновения), 2) экспериментальное измерение профиля остаточного отпечатка и 3) итерационный метод конечных элементов. моделирование испытания на вдавливание 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 сведения к оптимальной кривой растяжения-деформации находятся под автоматическим контролем.