Микросферический индентор из монокристалла алмаза как средство получения диаграмм напряжение – деформация

Получение диаграммы напряжение – деформация при помощи разрывных машин предполагает испытание образца большого объема. Альтернативой таким испытаниям является автоматизированная методика испытания на вдавливание шара (тест ABI — automatic ball indentation), предназначенная для определения зависимости напряжения от пластической деформации металлических материалов и конструктивных элементов. Цель данной работы — изучение применимости методики, которая разработана для построения диаграммы напряжение – деформация с использованием больших сферических инденторов (диаметром 250 – 1500 мкм), для работы с микросферическим индентором диаметром 5 мкм. Применение такого индентора позволяет исследовать пробы материала малых размеров, из которых невозможно изготовить образцы для стандартного эксперимента на одноосное растяжение. Индентор малого диаметра используют для изучения отдельных фаз гетерогенных материалов, межзеренных границ, а также тонких пленок, покрытий и приповерхностных слоев образца. В данной работе форму полученных отпечатков на поверхности образцов исследовали как бесконтактным способом — при помощи конфокальной оптической 3D-профилометрии, так и контактным методом — при помощи атомно-силовой микроскопии. Бесконтактный метод, как обладающий бóльшим быстродействием, использован для выявления размеров зерен сплавов, контактный, как имеющий более высокое латеральное разрешение, — для измерения диаметра отпечатков. Проведены серии экспериментов по растяжению сплавов на универсальной испытательной машине и по индентированию образцов, изготовленных из тех же сплавов. Получены значения модулей упругости и временных сопротивлений сплавов В95, ВТ1 и ВТ6, которые совпали в пределах погрешности в двух различных экспериментах. Экспериментально построены диаграммы напряжение – деформация с использованием инструментального индентирования и анализа геометрии остаточных отпечатков при применении сферического наконечника из монокристалла алмаза с малым радиусом закругления (2,5 мкм).

1. Kalpakoglou T., Yiatros S. Metal foams: A review for mechanical properties under tensile and shear stress / Front. Mater. 2022. Vol. 9. P. 998673. DOI: 10.3389/fmats.2022.998673

2. Makhutov N. A., Gadenin M. M. Study of the generalized curves of the static and cyclic deformation, damage and fracture / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2023. Vol. 89. No. 5. P. 46 – 55 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2023-89-5-46-55

3. Tu K., Wu J., Wang Y., et al. Uniaxial compressive stress – strain relation of recycled coarse aggregate concrete with different carbonation depths / Materials. 2022. Vol. 15. No. 15. P. 5429. DOI: 10.3390/ma15155429

4. Rizwee M., Kumar D. Contribution of geometrical infill pattern on mechanical behaviour of 3D manufactured polylactic acid specimen: Experimental and numerical analysis / Prog. Rubber Plast. Recycl. Technol. 2024. 14777606241281614. DOI: 10.1177/14777606241281614

5. Golovin Y. I. Nanoindentation and mechanical properties of solids in submicrovolumes, thin near-surface layers and films (review) / Solid State Phys. 2008. Vol. 50. No. 12. P. 2113 – 2142 [in Russian].

6. de Santana E. C., Misiolek W. Z., Costa A. L. M. Numerical study on the surface morphology evolution and hardness during the spherical indentation of copper with plastic behavior described by different stress – strain relationships / Int. J. Solids Struct. 2022. Vol. 252. P. 111817. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2022.111817

7. Yu F., Fang J., Omacht D., et al. A new instrumented spherical indentation test methodology to determine fracture toughness of high strength steels / Theor. Appl. Fract. Mech. 2023. Vol. 124. P. 103744. DOI: 10.1016/j.tafmec.2022.103744

8. Matyunin V. M., Marchenkov A. Yu., Volkov P. V., et al. Conversion of the kinetic indentation diagrams of ball indenter into stress – strain curves for metallic structural materials / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2022. Vol. 88. No. 2. P. 54 – 63 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2022-88-2-54-63

9. Rogozhkin S. V., Klauz A. V., Bogachev A. A., et al. Atom-Probe Tomography Study of the Influence of Fe Ion Irradiation at 500°C on the Nanostructure of Oxide Dispersion-Strengthened Steels / Phys. At. Nucl. 2023. Vol. 86. No. 9. P. 1975 – 1984. DOI: 10.1134/S1063778823090181

10. Moschetti M., Burr P. A., Obbard E., et al. Design considerations for high entropy alloys in advanced nuclear applications / J. Nucl. Mater. 2022. Vol. 567. P. 153814. DOI: 10.1016/j.jnucmat.2022.153814

11. Nikitin A. A., Rogozhkin S. V., Ogorodnikova O. V., et al. Microstructure and Mechanical Properties of W – 10Cr – 0.5Y Alloy under Heavy Ion Irradiation / Phys. At. Nucl. 2023. Vol. 86. No. 12. P. 2618 – 2627. DOI: 10.1134/s1063778823120050

12. Izaguirre I., Roldán M., de Prado J., et al. S/TEM examination and nanomechanical response of W-Eurofer joints brazed with Cu interlayers / Nucl. Mater. Energy. 2022. Vol. 31. P. 101155. DOI: 10.1016/j.nme.2022.101155

13. Yu F., Fang J., Omacht D., et al. A new instrumented spherical indentation test methodology to determine fracture toughness of high strength steels / Theor. Appl. Fract. Mech. 2022. Vol. 124. P. 103744. DOI: 10.1016/j.tafmec.2022.103744.

14. Prakash R. V., Chow S. S. An evaluation of stress – strain property prediction by Automated Ball Indentation (ABI) testing / J. Test. Eval. 2007. Vol. 35. No. 3. P. 221 – 232. DOI: 12.1520/JTE100180

15. Lin H., Shao L., Lv L., Bao J. Investigation of the Evolution of Plastic Anisotropy and Pile-Up of Al Single Crystal in Nanoindentation Using Different Crystal Plasticity Models / Mater. Trans. 2024. Vol. 65. No. 5. P. 494 – 501. DOI: 10.2320/matertrans.MT-M2023216

16. Kim J. H., Kwon O. M., Lee J., et al. Equivalent-Volume Model: Estimating Contact Morphology of Spherical Indentation for Metallic Materials / Met. Mater. Int. 2024. Vol. 30. No. 3. P. 714 – 725. DOI: 10.1007/s12540-023-01535-2

17. Kumar C. S., Sharma A. K., Zgalat-Lozynskyi O., Ragulya A. V. On mechanical and tribological behaviour of microwave sintered TiN – 5 wt % Al2O3 – 5 wt % Y2O3 nanocomposite / Powder Technol. 2024. P. 120196. DOI: 10.1016/j.mtcomm.2022.103218

18. Oliver W. C., Pharr G. M. An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments / J. Mater. Res. 1992. Vol. 7. No. 6. P. 1564 – 1583.

19. Chang C., Garrido M., Ruiz-Hervias J., et al. Representative stress – strain curve by spherical indentation on elastic-plastic materials / Adv. Mater. Sci. Eng. 2018. Vol. 2018. P. 1 – 9. DOI: 10.1155/2018/8316384

20. Lin D., Shreiber D., Dimitriadis E., Horkay F. Spherical indentation of soft matter beyond the Hertzian regime: Numerical and experimental validation of hyperelastic models / Biomech. Model. Mechanobiol. 2008. Vol. 8. P. 345 – 358. DOI: 10.1007/s10237-008-0139-9

21. Galanov B., Ivanov S., Kartuzov V. Improved core model of the indentation for the experimental determination of mechanical properties of elastic-plastic materials and its application / Mech. Mater. 2020. Vol. 150. DOI: 10.1016/j.mechmat.2020.103545

22. Wang Q., Niu C., Liu Zh., et al. The hardening effect of deformation twinning based on visco-plastic self consistent model and a multi-scale grain refinement prediction model during machining of titanium alloy / J. Mater. Res. Technol. 2023. Vol. 26. P. 1922 – 1937. DOI: 10.1016/j.jmrt.2023.08.007