пїњ

¬Ћ»яЌ»≈ –ј«ћ≈–Ќќ√ќ Ё‘‘≈ “ј Ќј ќѕ–≈ƒ≈Ћ≈Ќ»≈ “¬≈–ƒќ—“»  ќЌ—“–” ÷»ќЌЌџ’ ћј“≈–»јЋќ¬

”ƒ .620.178.151.6
¬Ћ»яЌ»≈ –ј«ћ≈–Ќќ√ќ Ё‘‘≈ “ј Ќј ќѕ–≈ƒ≈Ћ≈Ќ»≈ “¬≈–ƒќ—“»  ќЌ—“–” ÷»ќЌЌџ’ ћј“≈–»јЋќ¬
¬.». ћощенок, профессор, к.т.н., ’Ќјƒ”
јннотаци€. јнализом литературных данных и исследованием твердости образцов при различных величинах нагрузки установлен сложный и недостаточно изученный характер зависимости твердости от нагрузки. ѕредложена методика измерени€ твердости материалов автомобилестроени€ при разных нагрузках индентировани€ с учетом размерного эффекта.
 лючевые слова: твердость, индентирование, отпечаток, размерный эффект.
¬ведение
¬ автомобилестроении дл€ оценки механических свойств деталей широко пользуютс€ различными методами определени€ твердости (–оквелла, Ѕри-нелл€, ¬иккерса и др.). „асто в случа€х, при которых невозможно определить прочность металла по раст€жению стандартных образцов, вырезанных из исследуемого металла, оценку прочностных свойств такого металла осуществл€ют по измерени€м твердости
ложенной на индентор нагрузки.  ак правило, такие зависимости имеют вид (рис. 1), [1]
ст. = к Х Ќ¬,
(1)
где ств - предел прочности при раст€жении, ћѕа; к - безразмерный коэффициент, завис€щий от исследуемого материала; Ќ¬ - твердость по Ѕри-неллю, ћѕа
ѕрактически не используют дл€ оценки прочностных свойств металла методы определени€ твердости по –оквеллу и ¬иккерсу, хот€ и существуют определенные зависимости между числами твердости, полученными при вышеуказанных методах.
Ќесмотр€ на огромное количество различных методов и условий исследований при определении твердости, до сих пор остаетс€ не€сным, €вл€етс€ ли твердость уникальной, т.е. не завис€щей от условий испытаний характеристикой металла, или твердость функционально зависит от различных параметров проведени€ испытаний? ќтвет на этот вопрос породил в 1990-е годы дискуссию, котора€ продолжаетс€ и по насто€щее врем€.
јнализ публикаций
–€дом авторов проведены исследовани€ зависимости твердости по ¬иккерсу от величины, при-
–ис. 1. «ависимость твердости по ¬иккерсу от величины нагрузки в диапазоне 0-50 Ќ дл€ алюминиевого образца ЋЅ999
јналогичные зависимости (рис. 2), но уже в более широком диапазоне исследуемых нагрузок, приведены и дл€ других материалов, например, нитрида кремни€ [1].
–ис. 2. «ависимость твердости по ¬иккерсу от величины нагрузки (0 - 100 Ќ) дл€ образца из нитрида кремни€ N0132 [1]
 ак видно из приведенных графиков, твердость по ¬иккерсу зависит от нагрузки, и чем меньше нагрузка индентировани€, тем больше твердость. ѕоскольку эти исследовани€ проводились по методу восстановленного отпечатка, т. е. после ин-дентировани€ снималась приложенна€ нагрузка и по параметрам отпечатка определ€ли твердость, возможно эта зависимость по€вилась вследствие упругого восстановлени€ отпечатка. ќднако специально проведенными исследовани€ми твердости по методу восстановленного и невосстановленного отпечатка индентированием трехгранной пирамидой и при малых нагрузках (рис. 3) получены зависимости твердости от нагрузки [2]
1.6
1.4
ќ,
ќ
1.2
І 1.0 ас
0.8
0.6
Х /
о 2
в¬ д
_1___________I__________I_________I_________I_________I_________I_______I___________I________I__________I_________I_________I_________I_________I_________1_
0 10 20 30 40 50 60 70 80
1,ож1
–ис. 3. «ависимость твердости от величины нагрузки (0-80 мЌ) дл€ монокристалла хлористого кали€ при индентировании трехгранной пирамидой: 1 - твердость по невосстановленному отпечатку; 2 - твердость по восстановленному отпечатку
“аким образом, независимо от метода индентиро-вани€ (восстановленный или невосстановленный отпечаток), а также от вида индентора и величин примен€емых нагрузок, всегда обнаруживаютс€ более высокие значени€ твердости при малых нагрузках и более низкие значени€ твердости при увеличении нагрузки индентировани€. “акое €вление получило в литературе название Ђразмерный эффект при индентированииї [3].
Ќесмотр€ на существование дес€тков гипотез, претендующих на объ€снение размерного эффекта при индентировании, €сным остаетс€ одно: размерный эффект при испытани€х на твердость существует и его нужно учитывать как при испытани€х на твердость, так и при оценке механических свойств материала по твердости [4].
÷ель и постановка задачи
¬ данной статье поставлена цель проанализировать характер зависимости Ђтвердость-нагрузкаї и предложить универсальную характеристику дл€ оценки твердости материала.
¬ли€ние нагрузки на твердость при индентировании
ƒл€ достижени€ поставленной цели были усовершенствованы существующие способы определени€ твердости и изготовлен универсальный твердомер дл€ их реализации (рис. 4).
–ис. 4. ¬нешний вид универсального твердомера:
1 - компьютер; 2 - микроскоп; 3 - блок регистрации нагрузки; 4 - индикатор регистрации глубины внедрени€ индентора; 5 - инден-тор; 6 - образец; 7 - предметный столик
¬ качестве образцов дл€ исследовани€ были изготовлены титановые образцы с различными прочностными характеристиками, полученными различными методами вырезки и химико-термической (’“ќ) обработки.
–ис. 5. «ависимость деформации от нагрузки при раст€жении титановых образцов, полученных различными методами обработки: 1 -вырезка вдоль оси прокатки листа + химическое травление в водном растворе плавиковой кислоты; 2 - вырезка под углом 45∞ к оси прокатки листа без ’“ќ; 3 - вырезка вдоль оси прокатки листа + отжиг при 850 ∞— в течение 3 ч
“вердость полученных образцов определ€ли согласно схемы индентировани€, представленной на рис. 6, по формуле

Ќ” = 0,189Ч-
а2
(2)
где – - сила сопротивлени€ внедрению инден-тора, Ќ; а - диагональ восстановленного отпечатка, мм.

d
–ис. 6. —хема измерени€ твердости по ¬иккерсу методом восстановленного отпечатка: – -сила сопротивлени€ внедрению индентора, Ќ; а - диагональ отпечатка, мм
–ассчитанные по формуле (2) значени€ твердости по ¬иккерсу при различных нагрузках по восстановленным отпечаткам (рис. 7-9) дл€ образцов 1-3 представлены на рис. 10-12.
е ж з
–ис. 7. ‘отографии (х160) восстановленных отпечатков при индентировании образца є1 при различных нагрузках: а - – = 17 H; б -
– = 38 H; в - – = 117 H; г - – = 123 H; д -– = 211 H; е - – = 301 H; ж - – = 603 H; з -– = 795 H
е ж
–ис. 8. ‘отографии (х160) восстановленных отпечатков при индентировании образца є2 при различных нагрузках: а - – = 8 H; б -
– = 79 H; в - – = 134 H; г - – = 163 H; д -– = 315 H; е - – = 600 H; ж - – = 880 H
а б в г д
–ис. 9. ‘отографии (х160) восстановленных отпечатков при индентировании образца є3 при различных нагрузках: а - – = 9 H; б -– = 32 H; в - – = 77 H; г - – = 98 H; д -– = 176 H
HV,
H/мм2
–, H
–ис. 10. «ависимость твердости от нагрузки при индентировании титанового образца є1
HV,
H/мм2
–, H
–ис. 11. «ависимость твердости от нагрузки при индентировании титанового образца є2
HV,
H/мм2
–, H
–ис. 12. «ависимость твердости от нагрузки при индентировании титанового образца є3
 ак следует из рис. 10-12 твердость по ¬иккерсу, определ€ема€ по методу восстановленного отпечатка, дл€ титановых образцов в значительной степени зависит от величины приложенной нагрузки при индентировании и носит волновой характер при нагрузках индентировани€ до 100 H (образец є1), до 300 H (образец є2), до 800 H (образец є3).
¬ыводы
Hаличие размерного эффекта при измерени€х твердости при различных нагрузках индентиро-вани€ об€зывает дл€ оценки твердости материала строить зависимость Ђтвердость-нагрузкаї в широком диапазоне нагрузок и по этой зависимости судить о твердости исследуемого материала.
—ледует рекомендовать исследовател€м пересмотреть полученные ранее результаты известными методами определени€ твердости и уточнить их с учетом наличи€ размерного эффекта.
ƒл€ оценки прочностных свойств деталей машин нужно измер€ть твердость поверхности детали с такими нагрузками и такими инденторами, которые характерны дл€ конкретных условий работы деталей и допустимых величин поверхностного износа по глубине.
Ћитература
1. Quinn J. B., Quinn G. D. Indentation brittleness of
ceramics: a fresh approach. Journal of materials science 32, 1997. - –. 4331-4346.
2. —ойфер я.ћ., ¬ерд€н ј. »сследование ло-
кальных механических свойств монокристаллов хлориистого кали€ методом атомносиловой микроскопии // ‘изика твердого тела. - 2003. - “ом 45. - ¬ып.9. - —.1621-1625.
3. Gubicza J., Rozlosnik N., Juhasz A. Comment on
ЂIndentation size effect: reality or artefact?ї Journal of materials science letters 16, 1997. -–.1904-1905.
4. —аралидзе «. ., √алусташвили ћ.¬., ƒи-
р€ев ƒ.√. ќсобенности деформации щелочно-галоидных кристаллов под действием сосредоточенной нагрузки // ‘изика твердого тела. - 1999. - “ом 41. - ¬ып.11. - —. 19992003.
–ецензент: ј.». ѕ€так, профессор, д.ф.-м.н., XHAfly.
—тать€ поступила в редакцию 17 €нвар€ 2007 г.

пїњ