Преобразование кинетических диаграмм вдавливания сферического индентора в диаграммы растяжения для металлических конструкционных материалов

Приведен краткий обзор известных подходов к преобразованию диаграмм, полученных индентированием, в диаграммы растяжения. Отмечено, что большинство исследований по преобразованию кинетических диаграмм вдавливания сферического индентора в диаграммы растяжения выполнено в пределах равномерной деформации. Для этого используют различные расчетно-экспериментальные подходы, включая метод конечных элементов (МКЭ) и нейронные сети. Однако, по мнению авторов, такое преобразование целесообразно выполнять с применением установленной связи деформаций при вдавливании и растяжении. Это дает возможность не только более точно выполнить преобразование, но и оценить механические характеристики при растяжении по характеристикам индентирования. В существующих и наиболее часто используемых формулах для определения пластической деформации основным параметром является относительный диаметр отпечатка. Вместе с тем при одном и том же значении относительного диаметра отпечатка и постоянном отношении среднего контактного давления (твердости по Мейеру) к истинному напряжению при растяжении значения деформации при вдавливании и растяжении могут значительно различаться из-за разной способности материалов к деформационному упрочнению. Авторы установили связь истинной упругопластической деформации при растяжении образца с относительной глубиной невосстановленного отпечатка при вдавливании сферического индентора с учетом параметра деформационного упрочнения, определяемого по кинетической диаграмме вдавливания. На основе этой связи разработана методика преобразования кинетической диаграммы вдавливания в диаграмму растяжения в области равномерной деформации с определением предела текучести, временного сопротивления, максимальной равномерной деформации. Методика экспериментально проверена на сталях, алюминиевых, магниевых и титановых сплавах, сильно различающихся по модулю нормальной упругости, характеристикам прочности, пластичности и деформационного упрочнения.

1. Давиденков Н. Н. Получение диаграмм растяжения на основании определения твердости / Журнал технической физики. 1943. Т. 13. В. 7 – 8. С. 389 – 393.

2. Марковец М. П. Построение диаграмм истинных напряжений по твердости и технологической пробе / Журнал технической физики. 1949. Т. 19. № 3. С. 371 – 382.

3. Tabor D. The Hardness of metals. — Oxford: Clarendon Press, 1951. — 175 p.

4. Давиденков Н. Н., Беляев С. Е., Марковец М. П. Получение основных механических характеристик стали с помощью измерений твердости / Заводская лаборатория. 1945. Т. 11. № 10. С. 964 – 973.

5. Ahn J.-H., Kwon D. Derivation of plastic stress-strain relationship from ball indentations: examination of strain definition and pileup effect / J. Mater. Res. 2001. Vol. 16. N 11. P. 3170 – 3178. DOI: 10.1557/JMR.2001.0437

6. Зайцев Г. П. Твердость по Бринеллю как функция параметров пластичности / Заводская лаборатория. 1949. Т. 15. № 6. С. 704 – 711.

7. Ogar P. M., Gorokhov D. В. The relationship between the deformation of spherical indentation and tensile deformation / Key Eng. Mater. 2017. Vol. 723. P. 363 – 368. DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.723.363

8. Бакиров М. Б., Потапов В. В. Феноменологическая методика определения механических свойств корпусных сталей ВВЭР по диаграммам вдавливания шарового индентора / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2000. Т. 66. № 12. С. 35 – 43.

9. Shan Z., Gochale A. Utility of micro-indentation technique for characterization of the constitutive behavior of skin and interior microstructures of die-cast magnesium alloys / Mater. Sci. Eng. A. 2003. Vol. 361. N 1 – 2. P. 267 – 274. DOI: 10.1016/S0921-5093(03)00529-X

10. Ogar P., Kushnarev V., Kobzova I. Energy approach to determine mechanical properties of materials from the kinetic diagram of spherical indentation / Mater. Today. Proc. 2019. Vol. 19. P. 2342 – 2346. DOI: 10.1016/j.matpr.2019.07.684

11. Sreeranganathan A., Gokhale A., Tamirisakandala S. Determination of local constitutive properties of titanium alloy matrix in boron-modified titanium alloys using spherical indentation / Scripta Mater. 2008. Vol. 58. N 2. P. 114 – 117. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2007.09.023

12. Mahmoudi A. H., Nourbakhsh S. H. A Neural Networks approach to characterize material properties using the spherical indentation test / Proc. Eng. 2011. Vol. 10. P. 3062 – 3067. DOI: 10.1016/j.proeng.2011.04.507

13. Матлин М. М., Мозгунова А. И., Казанкина Е. М., Казанкин В. А. Методы неразрушающего контроля прочностных свойств деталей машин. — М.: Инновационное машиностроение, 2019. — 246 с.

14. Matyunin V. M., Marchenkov A. Yu., Abusaif N., Goryachkina M. V., Rodyakina R. V., Karimbekov M. A., Zhgut D. A. Evaluation of Young’s modulus of construction materials by instrumented indentation using a ball indenter / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2021. Т. 87. № 8. С. 64 – 68. DOI: 10.26896/1028-6861-2021-87-8-64-68

15. Jonson K. L. The correlation of indentation experiments / J. Mech. Phys. Solids. Vol. 19. P. 115 – 126. DOI: 10.1016/0022-5096(70)90029-(31970)

16. Матюнин В. М., Марченков А. Ю., Волков П. В. Определение условного предела текучести металла по кинетической диаграмме вдавливания сферического индентора / Заводская лаборатория. Диагностика материалов». 2017. Т. 83. № 6. С. 57 – 61.

17. Matyunin V. M., Marchenkov A. Yu., Abusaif N., Stasenko N. A. Evaluation of the Elastic Compliance of the Hardness Tester in Instrumented Indentation Tests / Inorg. Mater. 2020. Vol. 56. N 15. P. 1492 – 1498. DOI: 10.1134/S0020168520150157