Wyznaczanie parametrów materiałowych przy użyciu testu oprzyrządowanej twardości

dlaprodukcji.pl 2 miesięcy temu

Z artykułu dowiesz się:

czym jest test oprzyrządowiałej twardości;
jak przeprowadzić taki test;
jakie parametry pozwala uzyskać i jaka jest jego dokładność.

Brak możliwości wykonania testu mechanicznego na maszynie wytrzymałościowej nie oznacza niemożności wyznaczenia parametrów materiałowych. W przypadku cienkiej warstwy można skorzystać z innych metod.

Metody badania twardości są szeroko znane i stosowane w wielu dziedzinach inżynierii. Jednymi z najczęściej stosowanych są metody statyczne: Brinella, Rockwella a także Vickersa, których korzenie sięgają początków XX wieku. Metody takie w standardowej wersji pozwalają na określenie twardości materiału w skali makro. Częstokroć spotykanym problemem jest jednak także określenie adekwatności mechanicznych cienkich warstw przy powierzchni materiału.

Obecność cienkich warstw przypowierzchniowych może być związana np. z naniesioną powłoką lub też zmianą warstwy powierzchniowej na skutek różnorakich procesów, takich jak: obróbka cieplna [1], nawęglanie, azotowanie [2] czy też implantacja jonami [3, 4]. W latach 70. XX w. opracowano test oprzyrządowanej mikro- i nanotwardości (ang. instrumented micro- and nanoindentation), w którym wynikiem zamiast jednej wartości siły i zagłębienia jest wykres siła – zagłębienie, por. rys. 1. Na podstawie takiego wyniku można bezpośrednio wyliczyć twardość materiału dla różnych zagłębień, a także moduł Younga. Do tego ostatniego wymagane jest użycie krzywej przy odciążeniu (jak pokazano na rys. 1). Przy użyciu testu oprzyrządowanej nanotwardości możliwe jest także wyznaczanie innych parametrów materiałowych, np. opisujących umocnienie plastyczne, co będzie omówione w dalszej części artykułu.

Czytaj też >> Badania smarów łożysk tocznych w przemyśle

Wyznaczanie parametrów plastyczności

W przeciwieństwie do klasycznych testów mechanicznych, takich jak np. próba jednoosiowego rozciągania, stan odkształcenia i naprężenia w próbie twardości wykazuje znaczną niejednorodność. Dlatego też w celu wyznaczenia parametrów plastycznych materiału na podstawie testu indentacji należy wykorzystać modelowanie. Najczęstszym sposobem modelowania jest w tym przypadku wykorzystanie metody elementów skończonych.

Znajdywaniu parametrów plastyczności na podstawie wyników testu oprzyrządowanej mikrotwardości poświęcono wiele prac naukowych. Na przykład w pracy [1] wyznaczono parametry plastyczne stali Z38CDV5 w oparciu o dane siła – zagłębienie pochodzące z testu mikrotwardości z wgłębnikiem Vickersa. Podobną procedurę zastosowaną do testu mikrotwardości z wgłębnikiem kulistym dla stali 100C6 przedstawiono także w pracy [5]. Jednoparametrowy model umocnienia na podstawie wyników testu z wgłębnikiem kulistym dla nawęglanej jak również azotowanej stali przedstawiono w pracy H. Elghazala et al. [2].

Kilka metod wyznaczania parametrów modeli plastyczności było opracowanych również przez Kucharskiego i Mroza (m.in. prace [6, 7]). Metoda otrzymywania granicy plastyczności jak również parametrów umocnienia dla różnych modeli na podstawie wyników testu z wgłębnikiem kulistym była przedstawiona w pracy [8]. Mata i Alcala przedstawili metodologię otrzymania parametrów sprężystych i plastycznych na podstawie wyników z wgłębnikami piramidalnymi (Berkovicha i Vickersa) [9].

Plastyczność kryształów

Materiały metaliczne zwykle występują w postaci polikrystalicznej, tzn. na ich mikrostrukturę składają się ziarna o strukturze krystalicznej o wielkości rzędu zwykle kilkudziesięciu mikrometrów. W przypadku testu oprzyrządowanej nanotwardości można przyjąć, iż deformacja zachodzi w obrębie jednego ziarna i optymalnym modelem materiałowym okazują się być modele plastyczności kryształów. Przy wykorzystaniu takich modeli w sposób naturalny uwzględniana jest anizotropia plastyczna skutkująca m.in. powstawaniem wypływek o symetrii odpowiadającej zorientowaniu kryształu danego ziarna. Wyniki symulacji wciskania wgłębnika kulkowego w pojedyncze kryształy czystego niklu o różnej orientacji przedstawiono na rys. 2 (skala pionowa jest inna niż skala w kierunkach poprzecznych w celu lepszej widoczności pofałdowania powierzchni). Jak widać, w zależności od orientacji kryształu uzyskuje się inne symetrie wypływek. Dla porównania, wyniki eksperymentalne przedstawiające wypływki dla orientacji 100 (tej samej, co na rys. 2a) przedstawia rys. 3 [14]. Można zaobserwować, iż cztery symetrycznie rozłożone wypływki są widoczne również w wynikach eksperymentalnych.

Wyznaczanie parametrów plastyczności kryształów

Wyznaczaniu parametrów plastyczności kryształów na podstawie wyników testu nanotwardości również poświęcono wiele prac naukowych. W pracy [15] parametry były wyznaczone metodą prób i błędów poprzez porównywanie krzywych siła – zagłębienie uzyskanych w symulacji a także eksperymencie. Petryk, Stupkiewicz i Kucharski [10] opracowali wzory analityczne do wyznaczenia wykładnika umocnienia na podstawie wyników testu oprzyrządowanej twardości z wgłębnikiem kulistym w oparciu o trzy wskaźniki (nachylenie krzywej w skali logarytmicznej, powierzchnia kontaktu i objętość wypływki).

Chakraborty i Eisenlohr [16] do wyznaczenia parametrów aluminium wykorzystali krzywą siła – zagłębienie a także topografię powierzchni. Sprawdzili, na ile dostarczenie jednej, drugiej lub też obu naraz informacji umożliwia poprawne wyznaczenia parametrów przy użyciu algorytmu Neldera-Meada. Wyznaczono trzy parametry modelu umocnienia plastyczności kryształów. Engels, Vajragupta i Hartmaier [17] również zastosowali algorytm Neldera-Meada, tym razem do stopów żelazo ‒ mangan ‒ chrom o bardziej skomplikowanej mikrostrukturze (martenzyt listwowy). Podobne podejście, ale z użyciem algorytmu ewolucyjnego, przedstawiono w pracy Frydrycha i Papanikolaou [12], co zostało szerzej omówione w kolejnej sekcji. Algorytm ewolucyjny zastosowano także do wyznaczenia parametrów dla stali niskostopowej wysokiej wytrzymałości w pracy [18], w przypadku której oprócz wyników testu nanotwardości wykorzystano wyniki testu ściskania mikrosłupów (wyciętych z użyciem skupionej wiązki jonów, o średnicy ok. 5 mikrometrów).

Idź do oryginalnego materiału