

Исследование возможностей метода инструментального индентирования для определения механических свойств полиэтилена
https://doi.org/10.26896/1028-6861-2025-91-5-67-76
Аннотация
Рассмотрен метод инструментального индентирования как эффективный инструмент для изучения механических свойств полиэтиленов. С помощью данного метода можно определить такие свойства материалов, как твердость, модуль упругости и реологические характеристики. Приведены примеры использования метода инструментального индентирования для изучения свойств различных видов полимерных материалов, описаны параметры, которые влияют на результаты измерений. Экспериментально исследованы возможности метода на примере определения характеристик полиэтилена высокой плотности, который используется при производстве газовых трубопроводов. Результаты подтвердили применимость данного метода при изучении свойств полиэтиленовых (ПЭ) труб газопроводов для диагностирования их технического состояния. Исследованы образцы труб, длительное время находящихся в эксплуатации, а также образец новой трубы. Выявлено, что у образцов полиэтилена разного срока эксплуатации значения твердости как показателя сопротивления пластической деформации при статических нагрузках достаточно близки, в то время как реологические свойства существенно отличаются. Эту особенность необходимо принимать во внимание при проведении различных механических испытаний, поскольку скорость увеличения нагрузки в ходе таких испытаний будет существенно влиять на их результаты. Установлено, что значения твердости и модуля упругости уменьшаются с увеличением времени выдержки индентора под нагрузкой из-за релаксации напряжений в деформированной области под индентором. Рассмотрено влияние структуры полиэтилена на его механические свойства. Также выявлено, что модуль упругости образцов полиэтилена кратно возрастает при изменении степени кристалличности от 48 до 56 %. Проведенная работа показала перспективность и эффективность использования метода инструментального индентирования для анализа упругопластических и реологических свойств полиэтиленов, а также их связи с кристаллической структурой.
Об авторах
А. А. ВиноградоваРоссия
Анна Александровна Виноградова
199106, г. Санкт-Петербург, 21-я линия В.О., д. 2
К. В. Гоголинский
Россия
Кирилл Валерьевич Гоголинский
188300, Ленинградская обл., г. Гатчина, мкр. Орлова роща, д. 1
Е. К. Щипцова
Россия
Екатерина Константиновна Щипцова
199106, г. Санкт-Петербург, 21-я линия В.О., д. 2
Список литературы
1. Oreshko E. I., Utkin D. A., Erasov V. S., Lyakhov A. A. Methods of measurement of hardness of materials (review) / Tr. VIAM. Élektron. Nauch.-Tekhn. Zh. 2020. Vol. 1(85). P. 101 – 117 [in Russian]. DOI: 10.18577/2307-6046-2020-0-1-101-117
2. Gromyka D. S., Gogolinskiy K. V. Introduction of evaluation procedure of excavator bucket teeth into maintenance and repair: Prompts / MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2023. Vol. 8. P. 94 – 111 [in Russ]. DOI: 10.25018/0236_1493_2023_8_0_94
3. Shemyakin S. A., Shishkin E. A. Physical and mathematical model of rock destruction by a milling machine cutter / Journal of Mining Institute. 2021. Vol. 251. P. 639 – 647. DOI: 10.31897/pmi.2021.5.3
4. Fischer-Cripps A. C. Nanoindentation. — New York: Springer, January, 2011. — 282 p. DOI: 10.1007/978-1-4419-9872-9
5. Matyunin V. M., Marchenkov A. Yu., Volkov P. V. Determination of the Conventional Yield Stress of Metal from the Kinetic Spherical Indentation Test Diagram / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2017. Vol. 83. No. 6. P. 57 – 61 [in Russian].
6. Vorob’ev R. A., Litovchenko V. N., Dubinskii V. N. Study of the Hardness and Modulus of Elasticity of Ferrite using Kinetic Indentation Method / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2016. Vol. 82. No. 5. P. 55 – 60 [in Russian].
7. Kanaev A. T., Ramazanova Z. M., Biizhanov S. K. Study of plasma-hardened wheel steel using nanoindentation / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2020. Vol. 86. No. 4. P. 56 – 60 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2020-86-4-56-60
8. Long X., Dong R., Su Y., Chang C. Critical Review of Nanoindentation-Based Numerical Methods for Evaluating Elastoplastic Material Properties / Coatings. 2023. Vol. 13(8). 1334. DOI: 10.3390/coatings13081334
9. Bulychev S. I., Alekhin V. P. Kinetic hardness and microhardness method in indentation testing / Industr. Lab. 1987. Vol. 53. P. 76 – 80.
10. 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(6). P. 1564 – 1583.
11. Oliver W. C., Pharr G. M. Measurement of hardness and elastic modulus by instrumented indentation: Advances in understanding and refinements to methodology / Journal of Materials Research. 2004. Vol. 19. P. 3 – 20. DOI: 10.1557/jmr.2004.19.1.3
12. Arora G., Pathak H. Nanoindentation characterization of polymer nanocomposites for elastic and viscoelastic properties: Experimental and mathematical approach / Composites Part C: Open Access. 2021. Vol. 4. 100103. DOI: 10.1016/j.jcomc.2020.100103
13. Torskaya E. V., Yakovenko A. A., Shkaley I. V., Svistkov A. L. An indentation study of the temperature-dependent properties of modified polyurethanes / Fiz. Mezomekh. 2023. Vol. 26(3). P. 29 – 38. DOI: 10.55652/1683-805x_2023_26_3_29
14. Hardiman M., Vaughan T. J., McCarthy C. T. A review of key developments and pertinent issues in nanoindentation testing of fibre reinforced plastic microstructures / Composite Structures. 2017. Vol. 180. P. 782 – 798. DOI: 10.1016/j.compstruct.2017.08.004
15. Maxwell A. S., Monclus M. A., Jennett N. M., Dean G. Accelerated testing of creep in polymeric materials using nanoindentation / Polymer Testing. 2011. Vol. 30(4). P. 366 – 371. DOI: 10.1016/j.polymertesting.2011.02.002
16. Christöfl P., Czibula C., Seidlhofer T., et al. Morphological characterization of semi-crystalline POM using nanoindentation / International Journal of Polymer Analysis and Characterization. 2021. Vol. 26(8). P. 692 – 706. DOI: 10.1080/1023666x.2021.1968122
17. Schieppati J., Gehling T., Azevedo M., et al. Investigation into the state of cure of elastomers through nanoindentation / Polymer Testing. 2024. Vol. 133. DOI: 10.1016/j.polymertesting.2024.108417
18. Christöfl P., Ottersböck B., Czibula C., et al. Nanoindentation for Fast Investigation of PET Film Degradation / JOM. 2022. Vol 74(6). P. 2287 – 2294. DOI: 10.1007/s11837-022-05278-0
19. Christöfl P., Czibula C., Berer M., et al. Comprehensive investigation of the viscoelastic properties of PMMA by nanoindentation / Polymer Testing. 2021. Vol. 93. DOI: 10.1016/j.polymertesting.2020.106978
20. Zhao Y., Li H., Zhang Z., et al. Nanoindentation study of time-dependent mechanical properties of ultra-high-molecular-weight polyethylene (UHMWPE) at different temperatures / Polymer Testing. 2020. Vol. 91. DOI: 10.1016/j.polymertesting.2020.106787
21. Alghamdi A. S., Ashcroft I. A., Song M. Mechanical characterisation of novel polyethylene nanocomposites by nanoindentation / WIT Transactions on Engineering Sciences. 2013. Vol. 77. P. 89 – 100. DOI: 10.2495/mc130081
22. Banerjee T., Kar S. Nanoindentation of Reinforced Polymer Composites / Encyclopedia of Materials: Plastics and Polymers. 2022. P. 688 – 699. DOI: 10.1016/b978-0-12-820352-1.00281
23. Poulose A. M., Elnour A. Y., Samad U. A., et al. Nano-indentation as a tool for evaluating the rheological threshold in polymer composites / Polymer Testing. 2019. Vol. 80. DOI: 10.1016/j.polymertesting.2019.106150
24. Briscoe B. J., Fiori L., Pelillo E. Nano-indentation of polymeric surfaces. / J. Phys. D: Appl. Phys. 1998. Vol. 31(19). P. 2395 – 2405. DOI: 10.1088/0022-3727/31/19/006
25. Wang Y., Shang L., Zhang P., et al. Measurement of viscoelastic properties for polymers by nanoindentation / Polymer Testing. 2020. Vol. 83. DOI: 10.1016/j.polymertesting.2020.106353
26. Kumar A., Nayak S. K., Banerjee A., Laha T. Multi-scale indentation creep behavior in Fe-based amorphous/nanocrystalline coating at room temperature / Materials Letters. 2021. Vol. 283. DOI: 10.1016/j.matlet.2020.128768
27. Zha S., Lan H.-Q., Lin N., et al. Investigating the time- and space-dependent mechanical, physical and chemical properties of aged polyethylene gas pipes using nanoindentation tests / Journal of Materials Research and Technology. 2023. Vol. 24. P. 3383 – 3398. DOI: 10.1016/j.jmrt.2023.04.004
28. Byrne N., Ghanei S., Espinosa S. M., Neave M. Influence of Hydrogen on Vintage Polyethylene Pipes: Slow Crack Growth Performance and Material Properties / International Journal of Energy Research. 2023. Vol. 2023. DOI: 10.1155/2023/6056999
29. Prochazkova Z., Kralik V., Nemecek J., Sejnoha M. Recycled plastic material properties defined by nanoindentation / Advanced Materials Letters. 2016. Vol. 7(1). P. 78 – 82. DOI: 10.5185/amlett.2016.6170
30. Shaheer M., Troughton M., Khamsehnezhad A., Song J. A study of the micro-mechanical properties of butt fusion-welded joints in HDPE pipes using the nanoindentation technique / Welding in the World. 2017. Vol. 61(4). P. 819 – 831. DOI: 10.1007/s40194-017-0454-9
31. Nishimori F., Ikeshima D., Kanamori K., et al. Characterization of the surface degraded layer of polymers using an indentation method / Materials Today Communications. 2021. Vol. 26. DOI: 10.1016/j.mtcomm.2020.101873
32. Pertin T., Minatchy G., Adoue M., et al. Investigation of nanoindentation as a fast characterization tool for polymer degradation study / Polymer Testing. 2020. Vol. 81. DOI: 10.1016/j.polymertesting.2019.106194
33. Zhang X., Zheng Y., Li G. Y., et al. Indentation creep tests to assess the viscoelastic properties of soft materials: Theory, method and experiment / International Journal of Non-Linear Mechanics. 2019. Vol. 109. P. 204 – 212. DOI: 10.1016/j.ijnonlinmec.2018.12.005
34. Amjadi M., Fatemi A. Creep behavior and modeling of high-density polyethylene (HDPE) / Polymer Testing. 2021. Vol. 94. 107031. DOI: 10.1016/j.polymertesting.2020.107031
35. Song Z., Komvopoulos K. Elastic-plastic spherical indentation: Deformation regimes, evolution of plasticity, and hardening effect / Mechanics of Materials. 2013. Vol. 61. P. 91 – 100. DOI: 10.1016/j.mechmat.2013.01.003
36. Cheng L., Xia X., Scriven L. E., Gerberich W. W. Spherical-tip indentation of viscoelastic material / Mechanics of Materials. 2005. Vol. 37(1). P. 213 – 226. DOI: 10.1016/j.mechmat.2004.03.002
37. Jin C., Ebenstein D. M. Nanoindentation of compliant materials using Berkovich tips and flat tips / Journal of Materials Research. 2017. Vol. 32(2). P. 435 – 450. DOI: 10.1557/jmr.2016.483
38. Naseem R., Zhao L., Silberschmidt V. V., et al. Characterisation of mechanical properties of polymeric stent using nanoindentation / Procedia Structural Integrity. 2019. Vol. 15. DOI: 10.1016/j.prostr.2019.07.010
39. Inoue N., Yonezu A., Watanabe Y., et al. Prediction of viscoplastic properties of polymeric materials using sharp indentation / Computational Materials Science. 2015. Vol. 110. P. 321 – 330. DOI: 10.1016/j.commatsci.2015.08.033
40. Korshunov V. A., Pavlovich A. A., Bazhukov A. A. Evaluation of the shear strength of rocks by cracks based on the results of testing samples with spherical indentors / Journal of Mining Institute. 2023. Vol. 262. P. 606 – 618. DOI: 10.31897/pmi.2023.16
41. Van Landingham M. R., Villarrubia J. S., Guthrie W. F., Meyers G. F. Nanoindentation of polymers: An overview / Macromolecular Symposia. 2001. Vol. 167. P. 15 – 43. DOI: 10.1002/1521-3900(200103)167:1 <15::aid-masy15>3.0.co;2-t
42. Oyen M. L. Analytical techniques for indentation of viscoelastic materials / Philosophical Magazine. 2006. Vol. 86 (33 – 35, Spec. Issue). P. 5625 – 5641. DOI: 10.1080/14786430600740666
43. Alisafaei F., Han C. S. Indentation depth dependent mechanical behavior in polymers / Advances in Condensed Matter Physics. 2015. Vol. 2015. Hindawi Publishing Corporation. DOI: 10.1155/2015/391579
44. Chen X., Ogasawara N., Zhao M., Chiba N. On the uniqueness of measuring elastoplastic properties from indentation: The indistinguishable mystical materials / Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 2007. Vol. 55(8). P. 1618 – 1660. DOI: 10.1016/j.jmps.2007.01.010
45. Briscoe B. J., Sinha S. K. Hardness and Normal Indentation of Polymers / Swallowe G. M., ed. Mechanical Properties and Testing of Polymers. Polymer Science and Technology Series. Vol. 3. — Dordrecht: Springer, 1999. DOI: 10.1007/978-94-015-9231-4 25
46. Ghomsheh M. Z., Khatibi G. The Activation Energy of Strain Bursts during Nanoindentation Creep on Polyethylene / Materials. 2023. Vol. 16(1). DOI: 10.3390/ma16010143
47. Maculotti G., Genta G., Galetto M. An uncertainty-based quality evaluation tool for nanoindentation systems / Measurement: Journal of the International Measurement Confederation. 2024. Vol. 225. DOI: 10.1016/j.measurement.2023.113974
48. Potapov A. I., Gogolinskiy K. V., Kondratiev A. V., Umanskiy A. S. Indirect assessment of indenter area function for measuring mechanical properties by instrumented indentation / Kontrol’. Diagnostika. 2017. Vol. 2. P. 28 – 32 [in Russian]. DOI: 10.14489/td.2017.02.pp.028-032
49. Potapov A. I., Gogolinskiy K. V., Syasko V. A., et al. Methodological and metrological aspects of materials mechanical properties measurements by instrumented indentation / Kontrol’. Diagnostika. 2016. Vol. 8. P. 16 – 21 [in Russian]. DOI: 10.14489/td.2016.08.pp.016-021
50. Zemenkova M. Y., Chizhevskaya E. L., Zemenkov Y. D. Intelligent monitoring of the condition of hydrocarbon pipeline transport facilities using neural network technologies / Journal of Mining Institute. 2022. Vol. 258. P. 933 – 944. DOI: 10.31897/pmi.2022.105
51. Tcvetkov P. S., Fedoseev S. V. Analysis of project organization specifics in small-scale LNG production / Journal of Mining Institute. 2020. Vol. 246. P. 678 – 686. DOI: 10.31897/pmi.2020.6.10
52. Gogolinskiy K. V., Vinogradova A. A., Kopylova T. N., et al. Study of physicochemical properties of polyethylene gas pipelines material with a prolonged service life / International Journal of Pressure Vessels and Piping. 2022. Vol. 200. 104825. DOI: 10.1016/j.ijpvp.2022.104825
53. Aleksander G. P., Yifan T., Fuming Z. Predicting Service Life of Polyethylene Pipes under Crack Expansion using «Random Forest» Method / International Journal of Engineering. 2023. Vol. 36(12). P. 2243 – 2252. DOI: 10.5829/ije.2023.36.12c.14
54. Schipachev A., Fetisov V., Nazyrov A., et al. Study of the pipeline in emergency operation and assessing the magnitude of the gas leak / Energies. 2022. Vol. 15(14). DOI: 10.3390/en15145294
55. Fetisov V. G., Shalygin A. V., Modestova S. A., et al. Development of a Numerical Method for Calculating a Gas Supply System during a Period of Change in Thermal Loads / Energies. 2023. Vol. 60(16). P. 1 – 16. DOI: 10.3390/en16010060
56. Baktizin R. N., Zaripov R. M., Korobkov G. E., Masalimov R. B. Assessment of internal pressure effect, causing additional bending of the pipeline / Journal of Mining Institute. 2020. Vol. 242. P. 160. DOI: 10.31897/pmi.2020.2.160
57. Palaev A. G., Fuming Z. A Leak Detection Method for Underground Polyethylene Gas Pipelines Using Simulation Software Ansys Fluent / International Journal of Engineering. 2024. Vol. 37(8). P. 1615 – 1621. DOI: 10.5829/ije.2024.37.08b.14
58. Shammazov I. A., Karyakina E. D., Shalygin A. V. Stress-strain state simulation of an underground liquefied natural gas pipeline / Problems of Gathering, Treatment and Transportation of Oil and Oil Products. 2023. Vol. 3(143). P. 77 – 93 [in Russian]. DOI: 10.17122/ntj-oil-2023-3-77-93
59. Zha S., Lan H.-Q., Lin N., Meng T. Degradation and characterization methods for polyethylene gas pipes after natural and accelerated aging / Polymer Degradation and Stability. 2023. Vol. 208. DOI: 10.1016/j.polymdegradstab.2022.110247
Рецензия
Для цитирования:
Виноградова А.А., Гоголинский К.В., Щипцова Е.К. Исследование возможностей метода инструментального индентирования для определения механических свойств полиэтилена. Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2025;91(5):67-76. https://doi.org/10.26896/1028-6861-2025-91-5-67-76
For citation:
Vinogradova A.A., Gogolinskiy K.V., Shchiptsova E.K. A study of applicability of instrumented indentation method to determine the mechanical properties of thermoplastic. Industrial laboratory. Diagnostics of materials. 2025;91(5):67-76. (In Russ.) https://doi.org/10.26896/1028-6861-2025-91-5-67-76