Пластичність матеріялів, що визначається методою індентування

Ю. В. Мільман, С. І. Чугунова, І. В. Гончарова, О. А. Голубенко

Інститут проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича НАН України, вул. Академіка Кржижановського, 3, 03142 Київ, Україна

Отримана: 30.05.2018; остаточний варіант - 27.08.2018. Завантажити: PDF

У даному огляді розглянуто розвиток метод визначення пластичности матеріялів індентуванням. Розроблення способів визначення пластичности матеріялів за допомогою методи індентування засновано на використанні фундаментальних уявлень фізики міцности та пластичности. Істотний розвиток цих способів став можливим після введення нової характеристики пластичности $\delta^{*} = \epsilon_{р}/\epsilon_{t}$, де $\epsilon_{р}$ — пластична деформація, а $\epsilon_{t}$ — загальна деформація. Ця характеристика пластичности відповідає сучасним фізичним визначенням пластичности на відміну від подовження до руйнування $\delta$, яке широко використовується. Нова характеристика пластичности легко визначається при стандартному визначенні твердости алмазними пірамідальними інденторами за сталого навантаження $Р$ (позначається $\delta_{Н}$) і при інструментальному наноіндентуванні (позначається $\delta_{А}$); при цьому $\delta_{Н} \approx \delta_{А}$. Істотною перевагою нової характеристики пластичности є можливість визначення її як для металів, так і для крихких при стандартних механічних випробуваннях матеріялів, включаючи кераміку, тонкі шари та покриття. У розвиток уявлень про теоретичну міцність введено уявлення про теоретичну пластичність при бездислокаційному та дислокаційному механізмах деформації. У ряді робіт встановлено кореляцію $\delta_{Н}$ з електронною будовою матеріялу та його фізичними властивостями. Показано, що параметер Тейбора $С$ ($C = HM/\sigma_{S}$, де $НМ$ — твердість за Мейєром, а $\sigma_{S}$ — межа плинности) легко розраховується за $\delta_{Н}$. Тому індентування уможливлює нині достатньо просто визначити не тільки твердість, а й пластичність і межу плинности матеріялів. Таким чином, індентування стало простою методою визначення комплексу механічних властивостей матеріялів у широкому температурному інтервалі з використанням зразка у вигляді металографічного шліфа.

Ключові слова: твердість, пластичність, індентування, межа плинности, деформація.

PACS: 06.60.Wa, 07.10.-h, 62.20.D-, 62.20.F-, 62.20.fq, 62.20.Qp, 81.40.Jj, 81.40.Lm, 81.70.Bt

Citation: Yu. V. Milman, S. I. Chugunova, I. V. Goncharova, and А. А. Golubenko, Plasticity of Materials Determined by the Indentation Method, Usp. Fiz. Met., 19, No. 3: 271—308 (2018), doi: 10.15407/ufm.19.03.271


Цитована література (80)  
  1. D. Tabor, Phil. Mag. A, 74, No. 5: 1207 (1996). Crossref
  2. M. S. Drozd, Opredelenie Mekhanicheskikh Svoistv Metalla bez Razrusheniya [Determination of Mechanical Properties of a Metal without Destruction] (Moscow: Metallurgiya: 1965), p. 171 (in Russian).
  3. M. P. Markovets, Opredelenie Mekhanicheskikh Svoistv Metallov po Tverdosti [Determination of Mechanical Properties of Metals by Hardness] (Moscow: Mashinostroenie: 1979), p. 191 (in Russian).
  4. M. Sakai, J. Mater. Res., 14, No. 9: 3630 (1999).
  5. Y.-T. Cheng and C.-M. Cheng, J. Appl. Phys. Lett., 73, No. 5: 614 (1998). Crossref
  6. S. M. Walley, Mater. Sci. Technol., 28, Nos. 9–10: 1028 (2012). Crossref
  7. J. A. Greenwood and J. B. P. Williamson, Proc. Royal Society A, 295, No. 1442: 300 (1966). Crossref
  8. J. Luo and J. Lin, Int. J. Solids and Structures, 44, Nos. 18–19: 5803 (2007). Crossref
  9. R. W. Armstrong, L. Ferranti Jr., and N. N. Thadhani, Int. J. Refract. Met. Hard Mater., 24, Nos. 1–2: 11 (2006). Crossref
  10. C. Heinrich, A. M. Waas, and A. S. Wineman, Int. J. Solids and Structures, 46, No. 2: 364 (2009). Crossref
  11. J. Qin, Y. Huang, K. C. Hwang, J. Song, and G. M. Pharr, Acta Mater., 55, No. 18: 6127 (2007). Crossref
  12. Yu. V. Milman, B. A. Galanov, and S. I. Chugunova, Acta Met. Mater., 41, No. 9: 2523 (1993). Crossref
  13. B. A. Galanov, Yu. V. Milman, S. I. Chugunova, and I. V. Goncharova, Superhard Materials, No. 3: 25 (1999) (in Russian).
  14. S. N. Zhurkov, A. N. Orlov, and V. R. Regel’, Prochnost’ — Soprotivlenie Razryvu Tela na Dva ili Neskol’ko Chastey, Fizicheskiy Ehntsiklopedicheskiy Slovar’ (Moscow: Sov. Ehntsiklopediya: 1965), vol. 4, p. 235 (in Russian).
  15. See https://en.wikipedia.org/wiki/Plasticity.
  16. A. N. Orlov and V. R. Regel’, Plastichnost’, Fizicheskiy Ehntsiklopedicheskiy Slovar’ (Moscow: Sov. Ehntsiklopediya: 1965), vol. 4, p. 39 (in Russian).
  17. A. A. Il’yushin and V. S. Lenskiy, Plastichnost’, Fizicheskiy Ehntsiklopedicheskiy Slovar’ (Moscow: Sov. Ehntsiklopediya: 1983), p. 547 (in Russian).
  18. A. L. Roytburd, Fizicheskiy Ehntsiklopedicheskiy Slovar’ (Moscow: Sov. Ehntsiklopediya: 1965), p. 548 (in Russian).
  19. E. W. Hart, Acta. Met., 15, No. 2: 351 (1967). Crossref
  20. G. G. Kurdyumova, Yu. V. Milman, and V. I. Trefilov, Metallofizika, 1, No. 2: 55 (1979) (in Russian).
  21. V. I. Trefilov, Yu. V. Milman, R. K. Ivashchenko, Yu. A. Perlovich, A. P. Rachek, and N. I. Freze, Struktura, Tekstura i Mekhanicheskie Svoistva Deformirovannykh Splavov Molibdena [Structure, Texture and Mechanical Properties of Deformed Molybdenum Alloys] (Kiev: Naukova Dumka: 1983), p. 230 (in Russian).
  22. Yu. V. Milman, J. Phys. D: Appl. Phys., 41: 074013 (2008). Crossref
  23. Yu. Milman, S. Chugunova, and I. Goncharova, Int. J. Materials Science and Applications, 3, No. 6: 353 (2014). Crossref
  24. Yu. V. Milman, S. I. Chugunova, and I. V. Gonсharova, High Temp. Mater. Processes, 25, Nos. 1–2: 39 (2006). Crossref
  25. V. I. Trefilov, Yu. V. Milman, and S. A. Firstov, Fizicheskie Osnovy Prochnosti Tugoplavkikh Metallov [Physical Fundamentals of Strength of Refractory Metals] (Kiev: Naukova Dumka: 1975), p. 315 (in Russian).
  26. Yu. V. Milman and I. V. Goncharova, Usp. Fiz. Met., 18, No. 3: 265 (2017) (in Russian).
  27. A. V. Byakova, Yu. V. Milman, and A. A. Vlasov, Proc. 8th CIRP International Workshop on Modeling of Machining Operations (May 10–11, 2005, Chemnitz, Germany), p. 559.
  28. Yu. Milman, S. Dub, and A. Golubenko, Mater. Res. Soc. Symp. Proc., 1049: 123 (2008). Crossref
  29. Y. T. Cheng and C. M. Cheng, Mater. Sci. Eng. R, 44, No. 4: 91 (2004). Crossref
  30. X. Zhang, B. D. Beake, and S. Zhang, Toughness Evaluation of Thin Hard Coatings and Films, In: Thin Films and Coatings (Eds. S. Zhang) (Taylor & Francis Group, LLC: 2015), pp. 48–113. Crossref
  31. B. A. Galanov, Yu. V. Milman, S. I. Chugunova, I. V. Goncharova, and I. V. Voskoboinik, Crystals, 7, No. 3: 87 (2017). Crossref
  32. Yu. V. Milman, S. Luyckx, V. A. Goncharuk, and Y. T. Northrop, Int. J. Refract. Met. Hard Mater., 20, No. 1: 71 (2002). Crossref
  33. І. V. Goncharova, Vyznachennya Metodom Indentuvannya Fіzyko-Mekhanіchnykh Vlastyvostey Materіalіv z Rіznoyu Krystalіchnoyu Strukturoyu [Determination of Physical and Mechanical Properties of Materials with Different Crystal Structures by Indentation Method] (Abstract of Disser. for PhD Phys.-Math. Sci.) (Kyiv: I. M. Frantsevich Institute for Problems of Materials Science, N.A.S.U.: 2017) (in Ukrainian).
  34. A. J. Harris, B. D. Beake, D. E. J. Armstrong, and M. I. Davies, Experimental Mechanics, 57, No. 7: 1115 (2017). Crossref
  35. J. Maniks, L. Grigorjeva, R. Zabels, D. Millers, I. Bochkov, J. Zicans, T. Ivanova, and J. Grabis, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 326: 154 (2014). Crossref
  36. K. J. Kaushal, N. Suksawanga, D. Lahiri, and A. Agarwal, Int. J. Mater. Res., 28, No. 6: 789 (2013). Crossref
  37. Y. H. Cheng, T. Browne, B. Heckerman, C. Bowman, V. Gorokhovsky, and E. I. Meletis, Surf. Coat. Technol., 205, No. 1: 146 (2010). Crossref
  38. Yu. V. Milman, A. A. Golubenko, and S. N. Dub, Acta Mater., 59, No. 20: 7480 (2011). Crossref
  39. W. D. Nix and H. Gao, J. Mechanics and Physics of Solids, 46, No. 3: 411 (1998). Crossref
  40. N. A. Stelmashenko, M. G. Walls, L. M. Brown, and Yu. V. Milman, Acta Met. et Mater., 41, No. 10: 2855 (1993). Crossref
  41. Y. Y. Lim and M. M. Chaudhri, Philos. Mag. A, 79, No. 12: 2979 (1999). Crossref
  42. A. I. Yurkova, Yu. V. Milman, and A. V. Byakova, Russian Metallurgy (Metally), 2010, No. 4: 258 (2010). Crossref
  43. S. Cheng, E. Ma, M. Y. Wang, L. J. Kecskes, K. M. Youssef, C. C. Koch, U. P. Trociewitz, and K. Han, Acta Mater., 53, No. 5: 1521 (2005). Crossref
  44. M. Hoffmann and R. Birringer, Acta Mater., 44, No. 7: 2729 (1996). Crossref
  45. Yu. V. Mil’man and V. I. Trefilov, O Fizicheskoy Prirode Temperaturnoy Zavisimosti Predela Tekuchesti. Mehanizm Razrusheniya Metallov [The Physical Nature of the Temperature Dependence of Yield Stress. Mechanism of Destruction of Metals] (Kiev: Naukova Dumka: 1966), p. 59 (in Russian).
  46. Yu. Milman and V. I. Trefilov, Powder Metall. Met. Ceram., 49, Nos. 7–8: 374 (2010). Crossref
  47. V. I. Trefilov, Yu. V. Milman, and O. N. Grigoriev, Prog. Cryst. Growth Charact., 16: 225 (1988). Crossref
  48. B. A. Galanov and O. N. Grigor’ev, Electron Microscopy and Strength of Materials, No. 13: 4 (2006) (in Russian).
  49. R. P. Reed, Cryogenics, 12, No. 4: 259 (1972). Crossref
  50. Y. Estrin, N. V. Isaev, S. V. Lubenets, S. V. Malykhin, A. T. Pugachov, V. V. Pustovalov, E. N. Reshetnyak, V. S. Fomenko, L. S. Fomenko, S. E. Shumilin, M. Janecek, and R. J. Hellmig, Acta Mater., 54, No. 20: 5581 (2006). Crossref
  51. Z. Huang, L. Y. Gu, and J. R. Weertman, Scr. Mater., 37, No. 7: 1071 (1997). Crossref
  52. Yu. V. Mil’man, Met. Sci. Heat Treat., 27, No. 6: 397 (1985). Crossref
  53. Yu. V. Milman, Mater. Sci. Forum, 426–432: 4399 (2003). Crossref
  54. I. V. Gridneva, Yu. V. Milman, and V. I. Trefilov, Phys. Status Solidi B, 36, No. 1: 59 (1969). Crossref
  55. Yu. Milman, S. Chugunova, and I. Goncharova, Bull. Russ. Acad. Sci.: Phys., 73, No. 9: 1215 (2009). Crossref
  56. I. V. Goncharova, Yu. V. Mil’man, and S. I. Chugunova, 5th Int. Conf. HighMatTech (Oct. 5–8, 2015) (Kyiv: KPI: 2015), p. 256 (in Russian).
  57. A. Kelly, Strong Solids (Oxford: Clarendon Press: 1973), p. 285.
  58. I. V. Gridneva, Yu. V. Milman, and V. I. Trefilov, Phys. Status Solidi A, 14, No. 1: 177 (1972). Crossref
  59. S. J. Lloyd, A. Castellero, F. Giuliani, Y. Long, K. K. McLaughlin, J. M. Molina-Aldareguia, N. A. Stelmashenko, L. J. Vandeperre, and W. J. Clegg, Proc. Royal Soc. A, 461, No. 2060: 2521 (2005). Crossref
  60. A. M. Kovalchenko and Yu. V. Milman, Tribology International, 80: 166 (2014). Crossref
  61. Yu. V. Milman, S. I. Chugunova, I. V. Gonсharova, T. Chudobab, W. Lojkowski, and W. Gooch, Int. J. Refract. Met. Hard Mater., 17, No. 5: 361 (1999). Crossref
  62. K. L. Johnson, J. Mech. Phys. Solids, 18, No. 2: 115 (1970). Crossref
  63. K. L. Johnson, Contact Mechanics (Cambridge: Cambridge University Press: 1987), p. 452. Crossref
  64. Yu. V. Milman, S. I. Chugunova, and I. V. Goncharova, Questions of Atomic Science and Technology. Series: Physics of Radiation Damage and Radiation Materials Science, 74, No. 4: 182 (2011) (in Russian).
  65. Yu. V. Milman, W. Lojkowski, S. I. Chugunova, D. V. Lotsko, I. V. Gridneva, and A. Golubenko, Solid State Phenomena, 94: 55 (2003). Crossref
  66. Yu. V. Milman, D. V. Lotsko, A. N. Belous, and S. N. Dub, Quasicrystalline Materials. Structure and mechanical properties, In: Functional Gradient Materials and Surface Layers Prepared by Fine Particles Technology (Eds. M. I. Baraton and I. Uvarova) (Dordrecht: Springer: 2001), pp. 289–296. Crossref
  67. P. H. Boldt, G. C. Weatherly, and J. D. Embury, Int. J. Mater. Res., 15, No. 4: 1025 (2000). Crossref
  68. V. F. Boyko, T. B. Ershova, and A. V. Zaytsev, J. Materials Science, No. 12: 22 (2011) (in Russian).
  69. Yu. V. Milman and G. G. Kurdumova, ‘Rhenium Effect’ on the Improving of Mechanical Properties in Mo, W, Cr and Their Alloys, In: Rhenium and Rhenium Alloys (Eds. B. D. Bryskin) (Warrendale, PA: The Minerals, Metals & Materials Society: 1997), pp.717–728.
  70. A. F. Shchurov, A. V. Kruglov, and V. A. Perevoshchikov, Inorg. Mater., 37, No. 4: 349 (2001). Crossref
  71. A. F. Shchurov, V. A. Perevoshchikov, and A. V. Kruglov, Tech. Phys. Lett., 24, No. 5: 395 (1998). Crossref
  72. P. Haasen, Electronic Processes at Dislocation Cores and Crack Tips, In: Atomistic of Fracture (Eds. R. M. Latanision and J. R. Pickens) (Boston, MA, USA: Springer: 1983), pp. 707–730. Crossref
  73. J. Gilman, J. Appl. Phys., 46, No. 12: 5110 (1975). Crossref
  74. T. Suzuki, S. Takeuchi, and H. Yoshinaga, Dislocation Dynamics and Plasticity (Eds. K. V. Lotsch) (Berlin–Heidelberg: Springer-Verlag: 1991), p. 228. Crossref
  75. S. P. Rawal, G. M. Swanson, and W. C. Moshier, J. Mater. Res., 10, No. 7: 1721 (1995). Crossref
  76. L. S. Fomenko, A. V. Rusakova, S. V. Lubenets, and V. A. Moskalenko, Low Temp. Phys., 36, No. 7: 645 (2010) . Crossref
  77. G. Sharma, R. V. Ramanujan, T. R. G. Kutty, and N. Prabhu, Intermetallics, 13, No. 1: 47 (2005). Crossref
  78. A. V. Byakova, Yu. V. Milman, and A. A. Vlasov, Science of Sintering, 36, No. 1: 27 (2004). Crossref
  79. A. V. Byakova, Yu. V. Milman, and A. A. Vlasov, Science of Sintering, 36, No. 2: 93 (2004). Crossref
  80. Hardness Testing: ISO/TC 164/SC 3, Standards Catalogue.