Исследование пластической деформации металла методом индентирования

Один из видов повреждения материала — пластическая деформация, которая может нарушить нормальную работу конструкции. В связи с этим разработана методика оценки степени повреждаемости металла. Для ее реализации изготовлен корсетный образец на растяжение из алюминиевого сплава системы Al – Zn – Mg – Cu. Из-за переменного поперечного сечения рабочей зоны образца при растяжении в нем возникало неоднородное напряженное состояние, для моделирования которого использован конечно-элементный комплекс ANSYS. Сначала измеряли твердость корсетного образца, затем его испытывали на растяжение до момента начала образования шейки и падения нагрузки на диаграмме деформирования. После разгрузки образца вдоль его рабочей зоны измеряли твердость по методу Бринелля и шероховатость поверхности. Результаты измерений твердости показали, что в зонах образца, где напряжения при растяжении ниже условного предела текучести материала, она соответствовала твердости исходного материала. В области образца, где при растяжении напряжения выше условного предела текучести, твердость повышалась и достигала максимума в центре образца, зоне минимального поперечного сечения. Таким образом, определяя изменение твердости и шероховатости поверхности по длине образца, связывали его с повреждаемостью материала. По результатам инструментального сферического индентирования разработана методика оценки механических характеристик материала. Она заключалась в испытании одного образца на твердость и на растяжение. По полученным экспериментальным результатам строили корреляционные зависимости нагрузок при растяжении и индентировании. Эти зависимости позволили по диаграммам вдавливания исследуемого материала получать расчетные диаграммы растяжения.

1. Solntsev Yu. P., Pryakhin E. I. Materials science: the textbook for higher education institutions. 7th edition. — St. Petersburg: Khimizdat, 2020. — 784 p. [in Russian].

2. Golovin Yu. I. Introduction in nanoequipment. — Moscow: Mashinostroenie, 2007. — 496 p. [in Russian].

3. 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. N 1(85). P. 101 – 117. http://viam-works.ru (accessed 25.12.2020). DOI: 10.18577/2307-6046-2020-0-1-101-117

4. Ammar H. R., Haggag F. M., Alaboodi A. S., Al-Mufadi F. A. Nondestructive measurements of flow properties of nanocrystalline Al – Cu – Ti alloy using automated ball indentation (ABI) technique / Mater. Sci. Eng. A. 2018. Vol. 729. N 27. P. 477 – 486.

5. Zhang T., Wang S., Wang W. Method to determine the optimal constitutive model from spherical indentation tests / Results in Physics. 2018. N 8. P. 716 – 727.

6. Lee H., Vimonsatit V., Chindaprasirt P., Ngo T., Mendis P. Creep properties of cement and alkali activated fly ash materials using nanoindentation technique / Constr. Build. Mater. 2018. Vol. 168. P. 547 – 555.

7. Bruns S., Johanns K. E., Rehman H. U., Pharr G. M., Durst K. Constitutive modeling of indentation cracking in fused silica / J. Am. Ceram. Soc. 2017. Vol. 100. N 5. P. 1928 – 1940.

8. Dutta A. K., Penumadu D. Hardness and modulus of individual sand particles using nanoindentation / Advances in Measurement and Modeling of Soil Behavior. 2007. Conference: Geo-Denver. October. P. 1 – 10. DOI: 10.1061/40917(236)34

9. Potapova L. B. Mechanics of materials at a difficult tension. How predict limiting tension? — Moscow: Mashinostroenie 2005. P. 4 – 5 [in Russian].

10. Barbadikar D. R., Ballal A. R., Peshwe D. R., et al. Investigation on mechanical properties of P92 steel using ball indentation technique / Mater. Sci. Eng. 2015. Vol. 624. P. 92 – 101.

11. Kim Y. C., Kang S. K., Kim J. Y., et al. Contact morphology and constitutive equation in evaluating tensile properties of austenitic stainless steels through instrumented spherical indentation / J. Mater. Sci. 2013. Vol. 48. N 1. P. 232 – 239.

12. Moussa C., Hernot X., Bartier O., et al. Evaluation of the tensile properties of a material through spherical indentation: definition of an average representative strain and a confidence domain / J. Mater. Sci. 2014. Vol. 49. N 2. P. 592 – 603.

13. Moussa C., Bartier O., Hernot X. Mechanical characterization of carbonitrided steel with spherical indentation using the average representative strain / Mater. Design. 2016. N 89. P. 1191 – 1198.

14. Peng G., Lu Z., Ma Y., et al. Spherical indentation method for estimating equibiaxial residual stress and elastic-plastic properties of metals simultaneously / J. Mater. Res. Vol. 33. N 8. 2018. P. 884 – 897.

15. Huang Q. Q., et al. Spherical indentation with multiple partial unloading for assessing the mechanical properties of ZrB2 – SiC composites / Ceram. Int. 2015. Vol. 41. N 9. P. 12349 – 12354.

16. Field J. S., Swain M. V. Determining the mechanical properties of small volumes of material from submicrometer spherical indentations / J. Mater. Res. 1995. Vol. 10. P. 101 – 112.

17. Kot M., et al. Load-bearing capacity of coating – substrate systems obtained from spherical indentation tests / Mater. Design. 2013. Vol. 46. P. 751 – 757.

18. Markovets M. P. Determination of mechanical properties of materials on hardness. — Moscow: Mashinostroenie, 1979. — 191 p. [in Russian].

19. Haggag F. M. Small specimen test techniques applied to nuclear reactor vessel thermal annealing and plant life extension: ASTM STP 1204 / Am. Soc. Testing Mater. 1993. P. 27 – 44.

20. Nagarajua S., GaneshKumarb J., Vasantharajab P., Vasudevanb M., Lahab K. Evaluation of strength property variations across 9Cr-1Mo steel weld joints using automated ball indentation (ABI) technique / Mater. Sci. Eng. 2017. Vol. 695. P. 199 – 210.

21. Hui Chen, Li-xun Cai, Chen Bao. Equivalent-energy indentation method to predict the tensile properties of light alloys / Mater. Design. 2019. Vol. 162. P. 322 – 330.

22. Ammar H. R., Haggag F. M., Alaboody A. S., et al. Nondestructive measurements of flow properties of nanocrystalline Al – Cu – Ti alloy using Automated Ball Indentation (ABI) technique / Mater. Sci. Eng. 2018. Vol. 729. N 27. P. 477 – 486.

23. Wang F., Zhao J., Zhu N., et al. A comparative study on Johnson-Cook constitutive modeling for Ti – 6Al – 4V alloy using automated ball indentation (ABI) technique / J. Alloys Compounds. 2015. Vol. 633. P. 220 – 228.

24. Khandelwal H. K., Sharma K., Chhibber R. Mechanical Property Estimation of Similar Weld using Ball Indentation Technique / J. Minerals Mater. Char. Eng. 2012. N 11. P. 1095 – 1100. http://www.SciRP.org/journal/jmmce

25. Kim S. H. et al. Quantitative determination of contact depth during spherical indentation of metallic materials — A FEM study / Mater. Sci. Eng. A. 2006. Vol. 415. N 1 – 2. P. 59 – 65.

26. Jang J., Choi Y., Lee Y., Kwon D. Instrumented microindentation studies on long-term aged materials: work-hardening exponent and yield ratio as new degradation indicators / Mater. Sci. Eng. A. 2005. N 395. P. 295 – 300.

27. Lee K., Kim K., Kim J., Kim K., Choi B., Kwon D. Safety assessment based on mapping of degraded mechanical properties of materials for power plant pipeline using instrumented indentation technique / J. Loss Prevention Proc. Industr. 2009. N 22. P. 868 – 872.

28. Jeon E. C., Baik M. K., Kim S. H., Lee B. W., Kwon D. Determining representative stress and representative strain in deriving indentation flow curves based on finite element analysis / Key Eng. Mater. 2005. N 297. P. 2152 – 2157.

29. Kim J.-Y., Lee K.-W., Lee J.-S., Kwon D. Determination of tensile properties by instrumented indentation technique: representative stress and strain approach Surface and Coating / Technology. 2006. N 201. P. 4278 – 4283.

30. Lee J.-S., Jang J.-I., Lee B.-W., Choi Y., Lee S.-G., Kwon D. An instrumented indentation technique for estimating fracture toughness of ductile materials: a critical indentation energy model based on continuum damage mechanics / Acta Mater. 2006. N 54. P. 1101 – 1109.

31. Jang J., Son D., Lee Y., Choi Y., Kwon D. Assessing welding residual stress in A335 P12 steel welds before and after stress-relaxation annealing through instrumented indentation technique / Scripta Mater. 2003. N 48. P. 743 – 748.

32. Mahmoudia A. H., Nourbakhsha S. H. A Neural Networks approach to characterize material properties using the spherical indentation test / Proc. Eng. 2011. N 10. P. 3062 – 3067.

33. Tyulyukovskiy E., Huber N. Neural networks for tip correction of spherical indentation curves from bulk metals and thin metal films / J. Mech. Phys. Solids. 2007. N 55. P. 391 – 418.

34. Lee H., Huen W., Vimonsatit V., Mendis P. An investigation of nanomechanical properties of materials using nanoindentation and Artificial Neural Network / Sci. Reports. 2019. N 9. P. 1 – 8.

35. Koocheki K. Artificial neural network and finite element modeling of nanoindentation tests on silica / Civil Eng. Theses Diss. Student Res. 2018. N 7. P. 124. http://digitalcommons.unl.edu/civilengdiss/124

36. Haj-Ali R., Kim H. K., Koh S. W., Saxena A., Tummala R. Nonlinear constitutive models from nanoindentation tests using artificial neural networks / Int. J. Plast. 2008. Vol. 24. N 3. P. 371 – 396.

37. Chamekh A., Salah H. B., Hambli R. Inverse technique identification of material parameters using finite element and neural network computation / Int. J. Adv. Manufact. Technol. 2009. Vol. 44. N 1. P. 173.

38. Tumanov A. V., Kosov D. A., Fedorenkov D. I. Implementation of the sedate law of Ramberg – Osgood in the finite element ANSYS complex / Tr. Akademénergo. 2020. N 1(58). P. 44 – 61 [in Russian].

39. Oreshko E. I., Erasov V. S., Grinevich D. V., Shershak P. V. Review of criteria of durability of materials / Tr. VIAM. Élektron. Nauch.-Tekhn. Zh. 2019. N 9. P. 108 – 126. http://viam-works.ru (accessed 22.03.2021) [in Russian]. DOI: 10.18577/2307-6046-2019-0-9-108-126

40. Oreshko E. I., Erasov V. S., Lashov O. A., Podzhivotov N. Yu., Kachan D. V. Calculation of tension in a layered material / Tr. VIAM. Élektron. Nauch.-Tekhn. Zh. 2018. N 10(70). Art. 11. P. 93 – 106. http://viam-works.ru (accessed 22.03.2021) [in Russian]. DOI: 10.18577/2307-6046-2018-0-10-93-106

41. Oreshko E. I., Erasov V. S., Kachan D. V., Lashov O. A. Researches of stability of cores and plates at compression with the jammed cross-section edges / Tr. VIAM. Élektron. Nauch.-Tekhn. Zh. 2018. N 9(69). P. 61 – 70. URL: http://viam-works.ru (accessed 22.03.2021) [in Russian]. DOI: 10.18577/2307-6046-2018-0-9-61-70

42. Oreshko E. I., Erasov V. S., Jastrebov A. S. Forecasting of strength and deformation characteristics of materials at tests for stretching and creep / Mater. Sci. 2019. N 2. P. 3 – 8.

43. Oreshko E. I., Erasov V. S., Krylov V. D. Creation of three-dimensional charts of deformation for the analysis of mechanical behavior of the material tested at various speeds of loading / Aviats. Mater. Tekhnol. 2018. N 2. P. 59 – 66. DOI: 10.18577/2071-9140-2018-0-2-59-66

44. Antipov V. V., Oreshko E. I., Erasov V. S., Serebrennikova N. Y. Hybrid laminates for application in north conditions / Mechanics of Composite Materials. 2016. Vol. 52. N 5. P. 687 – 698.

45. Mesarovic S. D., Fleck N. A. Spherical indentation of elastic-plastic solids / Proc. Roy. Soc. Lond. 1999. Vol. 45. P. 2707 – 2728.

46. Johnson K. L. Contact Mechanics. — Cambridge University Press, 1985. — 452 p.