RU2333472C1 - Method of determining mechanical characteristics to be used in calculation of contact interaction - Google Patents
Method of determining mechanical characteristics to be used in calculation of contact interaction Download PDFInfo
- Publication number
- RU2333472C1 RU2333472C1 RU2007105327/28A RU2007105327A RU2333472C1 RU 2333472 C1 RU2333472 C1 RU 2333472C1 RU 2007105327/28 A RU2007105327/28 A RU 2007105327/28A RU 2007105327 A RU2007105327 A RU 2007105327A RU 2333472 C1 RU2333472 C1 RU 2333472C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- contact
- indenter
- force
- sample
- load
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 9
- 230000003993 interaction Effects 0.000 title claims description 6
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 18
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 15
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 13
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 claims description 19
- 238000007373 indentation Methods 0.000 claims description 7
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 6
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 abstract description 6
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 4
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 2
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000005489 elastic deformation Effects 0.000 description 1
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 1
- 238000004154 testing of material Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Landscapes
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области исследования механических характеристик однородных материалов, образцов с покрытиями с изменяющимися по глубине свойствами, в частности к методам испытаний, использующим погружение индентора в исследуемый образец и определение характеристик контакта под нагрузкой. Результаты данных испытаний могут использоваться непосредственно для расчета контактного взаимодействия, служить основой трибологических расчетов и расчетов механических характеристик материалов взаимодействующих тел.The invention relates to the field of research of the mechanical characteristics of homogeneous materials, samples with coatings with varying depth properties, in particular to test methods using indenter immersion in the test sample and determination of contact characteristics under load. The results of these tests can be used directly to calculate contact interaction, serve as the basis for tribological calculations and calculations of the mechanical characteristics of materials of interacting bodies.
Аналогом изобретения является способ микромеханических испытаний, основанный на непрерывной регистрации параметров процесса вдавливания жесткого наконечника правильной формы (индентора) - нагрузки на индентор, глубины его погружения в материал и времени (скорости) нагружения (Булычев, С.И. Испытание материалов непрерывным вдавливанием индентора / С.И.Булычев, В.П.Алехин. - М.: Машиностроение, 1990. - 224 с.). С существенными признаками заявляемого изобретения совпадают следующие: индентор вдавливают в образец; измеряют силу вдавливания и геометрические характеристики контакта, по величинам которых определяют механические характеристики.An analogue of the invention is a method of micromechanical testing, based on the continuous recording of the parameters of the process of indenting a rigid tip of the correct shape (indenter) - the load on the indenter, the depth of immersion in the material and the time (speed) of loading (Bulychev, S.I. Testing of materials by continuous indentation of the indenter / S.I. Bulychev, V.P. Alekhine. - M.: Mechanical Engineering, 1990. - 224 p.). The following features coincide with the essential features of the claimed invention: the indenter is pressed into the sample; measure the force of indentation and the geometric characteristics of the contact, the values of which determine the mechanical characteristics.
Получению технического результата, который обеспечивается заявляемым изобретением, препятствуют следующие причины. 1. Индентор имеет форму пирамиды, поэтому (как отмечено в статье Н.А.Воронина «Теоретическая модель упруго-пластического внедрения жесткой сферы...». Трение и износ.2003. № 1. С.16-26) «пластическая деформация в контакте наступает уже при малых нагрузках и прямая регистрация упругой начальной контактной деформации затруднительна (практически невозможна) даже с помощью высокоточных датчиков. В таких случаях определение упругих характеристик исследуемых материалов осуществляют по углу наклона начального участка кривой разгрузки, что вносит трудно оцениваемую погрешность, связанную с субъективностью выбора длины начального участка». 2. Перемещение индентора не однозначно связано с действительным радиусом (или диагональю) пятна контакта, который (которая) используется в расчетах механических характеристик. 3. Совершенствование конструкции прибора минимизирует прогибы различных частей прибора, но не исключает прогибы системы образец - прибор и прогибы от переменного измерительного усилия датчика. Прогибы вносят погрешность в измерения глубины отпечатка. 4. Датчик глубины требует тщательной и длительной градуировки.The technical result that is provided by the claimed invention is hindered by the following reasons. 1. The indenter has the shape of a pyramid, therefore (as noted in the article by N. A. Voronin “Theoretical model of the elastic-plastic penetration of a rigid sphere ...”. Friction and wear. 2003. No. 1. P.16-26) “plastic deformation the contact occurs already at low loads and direct registration of the elastic initial contact deformation is difficult (almost impossible) even with high-precision sensors. In such cases, the elastic characteristics of the materials under study are determined by the angle of inclination of the initial portion of the discharge curve, which introduces a difficult to estimate error associated with the subjectivity of choosing the length of the initial portion. " 2. The movement of the indenter is not unambiguously related to the actual radius (or diagonal) of the contact spot, which (which) is used in the calculation of mechanical characteristics. 3. Improving the design of the device minimizes the deflection of various parts of the device, but does not exclude the deflection of the sample-device system and deflections from the variable measuring force of the sensor. Deflections introduce an error in the measurement of the depth of the print. 4. The depth sensor requires careful and lengthy calibration.
Прототипом изобретения является способ исследования характеристик контакта (Демкин, Н.Б. Исследование упругопластического деформирования низкомодульных покрытий / Н.Б.Демкин, О.В.Сутягин, О.О.Туманова // Трение и износ. 1994. Т.15. № 2. С.237-242.). В соответствии с ним под действием заданной нагрузки образец с исследуемым покрытием входит в контакт со стеклянной сферической линзой. Контакт при фиксированной нагрузке выдерживают заданное время. Диаметр образовавшегося пятна контакта измеряют микроскопом, установленным вдоль оптической оси линзы. С существенными признаками заявляемого изобретения совпадают следующие: под действием заданной нагрузки образец с исследуемым покрытием входит в контакт со сферическим индентором; диаметр образовавшегося пятна контакта измеряют во время действия нагрузки по прошествии заданного времени после начала ее действия.The prototype of the invention is a method for studying the characteristics of the contact (Demkin, N.B. Study of elastoplastic deformation of low-modulus coatings / N.B.Demkin, O.V. Sutyagin, O.O.Tumanova // Friction and wear. 1994. V.15. No. 2. S.237-242.). In accordance with it, under the influence of a given load, the sample with the studied coating comes into contact with a glass spherical lens. Contact at a fixed load can withstand a given time. The diameter of the resulting contact spot is measured by a microscope mounted along the optical axis of the lens. The following features coincide with the essential features of the claimed invention: under the influence of a given load, a sample with a test coating comes into contact with a spherical indenter; the diameter of the formed contact spot is measured during the action of the load after a specified time after the onset of its action.
Получению технического результата, который обеспечивается заявляемым изобретением, препятствуют следующие причины. 1. Индентор выполнен из стекла. Это не позволяет определить приведенный модуль для таких пар контактирующих материалов, в которых индентор не стеклянный. 2. Стеклянный индентор можно внедрять только в податливые (низкомодульные или пластичные) материалы и покрытия, что существенно сужает выбор исследуемых материалов и покрытий. 3. Размеры и радиус кривизны индентора выбираются с учетом возможности использования микроскопа, что сужает выбор размеров индентора. 4. Способ не предусматривает экспериментального определения предельной нагрузки упругой деформации и нагрузки перехода от упругопластической к преимущественно пластической деформации. 5) Произвести измерение на микроскопе строго в заданное время сложно, если это время составляет несколько секунд после приложения нагрузки и если допустимый разброс времени порядка одной секунды.The technical result that is provided by the claimed invention is hindered by the following reasons. 1. The indenter is made of glass. This does not allow us to determine the reduced modulus for such pairs of contacting materials in which the indenter is not glass. 2. A glass indenter can only be embedded in pliable (low modulus or ductile) materials and coatings, which significantly narrows the choice of materials and coatings to be studied. 3. The dimensions and radius of curvature of the indenter are selected taking into account the possibility of using a microscope, which narrows the choice of dimensions of the indenter. 4. The method does not provide for the experimental determination of the ultimate load of elastic deformation and the load of the transition from elastoplastic to predominantly plastic deformation. 5) It is difficult to measure with a microscope strictly at a given time if this time is several seconds after the load is applied and if the allowable time spread is on the order of one second.
Задачей изобретения является создание возможности определения механических характеристик, используемых в расчетах контактного взаимодействия, в том числе эффективных механических характеристик тел с покрытиями или несколькими слоями, при свободном выборе материалов и размеров индентора, образца и покрытия, повышение точности соблюдения временного интервала нагружения до измерения. (Эффективными, т.е. действующими, воспринимаемыми, называют такие механические характеристики, которыми должно обладать однородное тело, чтобы оказывать такое же сопротивление внедрению индентора, какое оказывает реальный образец с покрытием или многослойный материал.)The objective of the invention is to create the ability to determine the mechanical characteristics used in the calculations of contact interaction, including the effective mechanical characteristics of bodies with coatings or several layers, with a free choice of materials and sizes of the indenter, sample and coating, increasing the accuracy of observing the loading time interval before measurement. (Effective, i.e., acting, perceived, are called such mechanical characteristics that a homogeneous body must possess in order to provide the same resistance to indenter penetration as a real coated sample or multilayer material does.)
Технический результат изобретения - возможность свободного выбора материалов и размеров индентора, образца и покрытия, повышение точности соблюдения временного интервала нагружения до измерения.The technical result of the invention is the ability to freely choose the materials and sizes of the indenter, sample and coating, increasing the accuracy of observing the time interval of loading before measurement.
Существенные признаки предлагаемого способа следующие. Сферический индентор с радиусом R вдавливают в поверхность образца с заданной силой N. Определяют радиус пятна контакта а под нагрузкой спустя заданное время после начала ее действия. В отличие от прототипа предварительными опытами определяют нормальную силу вдавливания, которую можно считать предельной для данного вида деформации. В основных опытах прикладывают нагрузку, не выходящую за установленный предел. Через заданное время после начала действия нагрузки фотографируют сбоку индентор в контакте с образцом. Измеряют на фотографии размер изображения пятна контакта 2а' и диаметр изображения сферического индентора 2R'. Определяют действительный радиус пятна контакта по формуле a=R·a'/R'. По значениям a, R, N рассчитывают механические характеристики.The essential features of the proposed method are as follows. A spherical indenter with radius R is pressed into the surface of the sample with a given force N. The radius of the contact spot is determined and under load after a specified time after the onset of its action. In contrast to the prototype, preliminary experiments determine the normal indentation force, which can be considered ultimate for this type of deformation. In basic experiments, a load is applied that does not go beyond the set limit. After a specified time after the start of the load, the indenter is photographed from the side in contact with the sample. The size of the image of the contact spot 2a 'and the image diameter of the spherical indenter 2R' are measured in the photograph. The actual radius of the contact spot is determined by the formula a = R · a '/ R'. The values of a, R, N calculate the mechanical characteristics.
В первом частном случае предварительными опытами определяют наибольшую нормальную силу вдавливания N0, при действии которой на образце не появляются остаточная лунка или трещины. Прикладывают силу N, которая меньше N0, и определяют эффективный приведенный модуль упругости по формулеIn the first particular case, preliminary experiments determine the largest normal indentation force N 0 , under the action of which no residual hole or cracks appear on the sample. Apply a force N, which is less than N 0 , and determine the effective reduced modulus of elasticity by the formula
Во втором частном случае в каждом предварительном опыте через заданное время после начала действия нагрузки N фотографируют сбоку индентор в контакте с образцом. Измеряют на фотографии размер изображения пятна контакта 2а' и диаметр изображения сферического индентора 2R'. Определяют действительный радиус пятна контакта по формуле a=R·a'/R' и вычисляют среднее контактное давление по формулеIn the second particular case, in each preliminary experiment, a predetermined time after the start of the load N is photographed on the side of the indenter in contact with the sample. The size of the image of the contact spot 2a 'and the image diameter of the spherical indenter 2R' are measured in the photograph. The actual radius of the contact spot is determined by the formula a = R · a '/ R' and the average contact pressure is calculated by the formula
p=N/(πa2),p = N / (πa 2 ),
где π=3,14. Варьируя значение вдавливающей силы, в результате серии предварительных опытов определяют минимальную нормальную силу N1, при которой образуется остаточная лунка с четкими краями и увеличение нагрузки не приводит к существенному изменению среднего контактного давления. В опытах основной серии прикладывают силу N, которая больше N1. По их результатам вычисляют эффективный предел текучести материала образца или покрытия при данной толщине покрытия по формулеwhere π = 3.14. Varying the value of the pressing force, as a result of a series of preliminary experiments, the minimum normal force N 1 is determined at which a residual hole with distinct edges is formed and an increase in load does not lead to a significant change in the average contact pressure. In the experiments of the main series, a force N is applied, which is greater than N 1 . Based on their results, the effective yield strength of the sample or coating material at a given coating thickness is calculated by the formula
На чертеже показана фотография сферического индентора в контакте с плоским образцом, на которой указаны измеряемые размеры.The drawing shows a photograph of a spherical indenter in contact with a flat sample, which indicates the measured dimensions.
Эффективный приведенный модуль упругости характеризует упругие свойства индентора, покрытия и подложки в комплексе и используется для расчета контактного взаимодействия. Для его определения вначале проводят серию предварительных опытов по вдавливанию сферического индентора с радиусом R в плоский гладкий образец при разных значениях нормальной силы и определяют максимальную нормальную силу N0, которая не вызывает остаточных деформаций. Наличие или отсутствие остаточной деформации достаточно определить визуально как наличие или отсутствие лунки или трещин на поверхности. В основной серии опытов прикладывают силу N, которая меньше N0 Через заданное время после начала действия нагрузки N фотографируют сбоку индентор в контакте с образцом. Измеряют на фотографии размер изображения пятна контакта 2a' и диаметр изображения сферического индентора 2R'. Это удобно делать в электронном виде с использованием программ векторной графики (см. чертеж). Определяют действительный радиус пятна контакта по формуле a=R·a'/R' и вычисляют эффективный приведенный модуль упругости по формулеThe effective reduced modulus of elasticity characterizes the elastic properties of the indenter, coating and substrate in the complex and is used to calculate the contact interaction. To determine it, a series of preliminary experiments is carried out to indent a spherical indenter with radius R into a flat smooth sample at different normal forces and determine the maximum normal force N 0 , which does not cause permanent deformations. The presence or absence of permanent deformation is sufficient to visually determine the presence or absence of a hole or cracks on the surface. In the main series of experiments, a force N is applied, which is less than N 0. After a predetermined time after the start of the load, N, an indenter in contact with the sample is photographed from the side. The size of the image of the contact spot 2a 'and the image diameter of the spherical indenter 2R' are measured in the photograph. It is convenient to do this electronically using vector graphics programs (see drawing). The actual radius of the contact spot is determined by the formula a = R · a '/ R' and the effective reduced modulus of elasticity is calculated by the formula
Необходимую нормальную силу создают, например, грузом определенной массы либо используют пружинную систему нагружения индентора.The necessary normal force is created, for example, by a load of a certain mass or a spring system of loading the indenter is used.
Предел текучести материала однородного образца или эффективный предел текучести σTe слоеного образца при заданных значениях толщины слоев (данной толщине покрытия) необходимо знать для определения условий появления и развития пластических деформаций при контактном взаимодействии. Для его определения вначале проводят серию предварительных опытов по вдавливанию сферического индентора с радиусом R в плоский гладкий образец при разных значениях нормальной силы. В каждом опыте через заданное время после начала действия нагрузки N фотографируют сбоку индентор в контакте с образцом. Измеряют на фотографии размер изображения пятна контакта 2а' и диаметр изображения сферического индентора 2R'. Это удобно делать в электронном виде с использованием программ векторной графики (см. чертеж). Определяют действительный радиус пятна контакта по формуле a=R·a'/R' и вычисляют среднее контактное давление по формулеThe yield strength of the material of a homogeneous sample or the effective yield strength σ Te of a layered sample at given values of the layer thickness (a given coating thickness) must be known to determine the conditions for the appearance and development of plastic deformations during contact interaction. To determine it, a series of preliminary experiments is first carried out on the indentation of a spherical indenter with radius R into a flat smooth sample at different values of the normal force. In each experiment, after a predetermined time after the start of the load, N, an indenter is photographed laterally in contact with the sample. The size of the image of the contact spot 2a 'and the image diameter of the spherical indenter 2R' are measured in the photograph. It is convenient to do this electronically using vector graphics programs (see drawing). The actual radius of the contact spot is determined by the formula a = R · a '/ R' and the average contact pressure is calculated by the formula
где π=3,14. В результате серии предварительных опытов определяют минимальную нормальную силу N1, при которой образуется остаточная лунка с четкими краями и увеличение нагрузки не приводит к существенному изменению среднего контактного давления. В опытах основной серии прикладывают силу N, которая больше N1. Через заданное время после начала действия нагрузки N фотографируют сбоку индентор в контакте с образцом. Измеряют на фотографии размер изображения пятна контакта 2а' и диаметр изображения сферического индентора 2R'. Определяют действительный радиус пятна контакта по формуле a=R·a'/R' и вычисляют эффективный предел текучести материала образца или покрытия при данной толщине покрытия по формулеwhere π = 3.14. As a result of a series of preliminary experiments, the minimum normal force N 1 is determined at which a residual well with distinct edges is formed and an increase in load does not lead to a significant change in the average contact pressure. In the experiments of the main series, a force N is applied, which is greater than N 1 . After a predetermined time after the start of the load, N, an indenter in contact with the sample is photographed from the side. The size of the image of the contact spot 2a 'and the image diameter of the spherical indenter 2R' are measured in the photograph. The actual radius of the contact spot is determined by the formula a = R · a '/ R' and the effective yield stress of the sample or coating material at a given coating thickness is calculated by the formula
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007105327/28A RU2333472C1 (en) | 2007-02-12 | 2007-02-12 | Method of determining mechanical characteristics to be used in calculation of contact interaction |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007105327/28A RU2333472C1 (en) | 2007-02-12 | 2007-02-12 | Method of determining mechanical characteristics to be used in calculation of contact interaction |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2333472C1 true RU2333472C1 (en) | 2008-09-10 |
Family
ID=39867007
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2007105327/28A RU2333472C1 (en) | 2007-02-12 | 2007-02-12 | Method of determining mechanical characteristics to be used in calculation of contact interaction |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2333472C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP3093646A1 (en) * | 2015-05-12 | 2016-11-16 | Nanovea, Inc. | Method for automated parameter and selection testing based on known characteristics of the sample being tested |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1176209A1 (en) * | 1983-09-27 | 1985-08-30 | Ижевский механический институт | Method of determining material poisson's ratio |
| US4945490A (en) * | 1988-04-11 | 1990-07-31 | Biddle Jr Ernest L | Brinell hardness indicator with digital readout |
| SU1753335A1 (en) * | 1988-07-08 | 1992-08-07 | Самарское Научно-Производственное Объединение Автоматических Систем | Method of determining the poisson ratio of material |
| RU2141637C1 (en) * | 1997-11-26 | 1999-11-20 | Инженерный центр "Сплав" | Method determining plasto-elastic deformations of materials |
-
2007
- 2007-02-12 RU RU2007105327/28A patent/RU2333472C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1176209A1 (en) * | 1983-09-27 | 1985-08-30 | Ижевский механический институт | Method of determining material poisson's ratio |
| US4945490A (en) * | 1988-04-11 | 1990-07-31 | Biddle Jr Ernest L | Brinell hardness indicator with digital readout |
| SU1753335A1 (en) * | 1988-07-08 | 1992-08-07 | Самарское Научно-Производственное Объединение Автоматических Систем | Method of determining the poisson ratio of material |
| RU2141637C1 (en) * | 1997-11-26 | 1999-11-20 | Инженерный центр "Сплав" | Method determining plasto-elastic deformations of materials |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP3093646A1 (en) * | 2015-05-12 | 2016-11-16 | Nanovea, Inc. | Method for automated parameter and selection testing based on known characteristics of the sample being tested |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7424822B2 (en) | Micro-hardness measurement method and micro-hardness meter | |
| Hay et al. | Instrumented indentation testing | |
| EP3076153A1 (en) | Method for calculating an indenter area function and quantifying a deviation from the ideal shape of an indenter | |
| EP3093646A1 (en) | Method for automated parameter and selection testing based on known characteristics of the sample being tested | |
| EP2345884A3 (en) | Hardness test method, hardness tester, and computer-readable storage medium storing program | |
| Tayebi et al. | Determination of hardness from nanoscratch experiments: Corrections for interfacial shear stress and elastic recovery | |
| CN109030259A (en) | A method of repeatedly plus unloading spherical indenter indentation obtains material simple stress-strain stress relation | |
| RU2007108224A (en) | METHOD FOR DETERMINING MECHANICAL CHARACTERISTICS OF SOIL, PEAT AND FROZEN BASIS | |
| Bouzakis et al. | Indenter surface area and hardness determination by means of a FEM-supported simulation of nanoindentation | |
| Moseson et al. | Determination of the effective zero point of contact for spherical nanoindentation | |
| JP4956834B2 (en) | Hardness test method | |
| RU2646442C1 (en) | Method for determining physico-mechanical characteristics of modified surface layer of product material and device for it | |
| RU2333472C1 (en) | Method of determining mechanical characteristics to be used in calculation of contact interaction | |
| JP7370515B2 (en) | Indentation test device | |
| Kang et al. | Determining effective radius and frame compliance in spherical nanoindentation | |
| PL215116B1 (en) | Method and device for testing elements,in particular polymer elements during slip interactions | |
| JP4320028B2 (en) | Micro hardness measurement method and micro hardness tester | |
| RU2489701C1 (en) | Method for determining elasticity modulus of coating material on product | |
| JP2008139220A (en) | Verification method of nanoindentation test | |
| RU2145071C1 (en) | Process determining mechanical characteristics of materials and device for its implementation | |
| Kumar et al. | Alternative methods to extract the hardness and elastic modulus of thin films from nanoindentation load-displacement data | |
| Murray | ASTM G99 Tip’s Perspective Continuous Wear Contact | |
| RU2258211C1 (en) | Method of determining dynamical hardness of materials | |
| Li et al. | Yield & Tensile Strength of Steel & Aluminium Using Microindentation | |
| El Deeb | Hardness and nano-indentation |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20090213 |