Устройство для дифференциальной записи кинетических кривых при индентировании
Рассмотрены особенности методики изучения физико-механических свойств керамики на основе частично стабилизированного диоксида циркония методом индентирования. Показана необходимость точного измерения истинного перемещения индентора относительно образца. Описано устройство для дифференциальной записи...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Физика и техника высоких давлений |
|---|---|
| Дата: | 2004 |
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
2004
|
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/168076 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Устройство для дифференциальной записи кинетических кривых при индентировании / В.И. Барбашов, Э.В. Чайка, Ю.А. Комыса, Ю.Б. Ткаченко // Физика и техника высоких давлений. — 2004. — Т. 14, № 2. — С. 122-127. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860123504793354240 |
|---|---|
| author | Барбашов, В.И. Чайка, Э.В. Комыса, Ю.А. Ткаченко, Ю.Б. |
| author_facet | Барбашов, В.И. Чайка, Э.В. Комыса, Ю.А. Ткаченко, Ю.Б. |
| citation_txt | Устройство для дифференциальной записи кинетических кривых при индентировании / В.И. Барбашов, Э.В. Чайка, Ю.А. Комыса, Ю.Б. Ткаченко // Физика и техника высоких давлений. — 2004. — Т. 14, № 2. — С. 122-127. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Физика и техника высоких давлений |
| description | Рассмотрены особенности методики изучения физико-механических свойств керамики на основе частично стабилизированного диоксида циркония методом индентирования. Показана необходимость точного измерения истинного перемещения индентора относительно образца. Описано устройство для дифференциальной записи кривых при индентировании.
Peculiarities of studying physico-mechanical properties of ceramic materials based on partially stabilized zirconia by using the indentation method have been considered. It is shown that true travel of the indenter relative to the sample need be measured accurately. A device for differential recording of curves during the indentation has been described.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:40:32Z |
| format | Article |
| fulltext |
Физика и техника высоких давлений 2004, том 14, № 2
122
PACS: 81.20.Ev, 81.20.Lb, 81.70.Dw, 81.40.Np
В.И. Барбашов1, Э.В. Чайка1, Ю.А. Комыса1, Ю.Б. Ткаченко2
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ЗАПИСИ
КИНЕТИЧЕСКИХ КРИВЫХ ПРИ ИНДЕНТИРОВАНИИ
1Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина НАН Украины
ул. Р. Люксембург, 72, г. Донецк, 83114, Украина
2Донбасская государственная академия строительства и архитектуры
ул. Державина, 4, г. Макеевка, 86123, Украина
Статья поступила в редакцию 8 июля 2003 года
Рассмотрены особенности методики изучения физико-механических свойств ке-
рамики на основе частично стабилизированного диоксида циркония методом ин-
дентирования. Показана необходимость точного измерения истинного перемеще-
ния индентора относительно образца. Описано устройство для дифференциаль-
ной записи кривых при индентировании.
Изучение процесса вдавливания является одним из наиболее информа-
тивных методов исследования физико-механических свойств твердых тел.
При воздействии сосредоточенной нагрузкой в материалах возникает слож-
нонапряженное состояние, релаксирующее, как правило, путем упругой и
пластической деформации, посредством образования и распространения
трещин. В материалах, имеющих относительно низкое давление полиморф-
ного перехода, прочностные свойства фазы высокого давления влияют на
параметры процесса индентирования, измеряемые при атмосферном давле-
нии [1,2]. Несмотря на достаточно многочисленные исследования процессов
деформирования и разрушения при индентировании, к настоящему времени
осталось большое число вопросов, относящихся в первую очередь к иденти-
фикации механизмов пластической деформации керамических материалов.
Особая ценность метода индентирования при изучении физико-
механических свойств керамических материалов обусловлена прежде всего
возможностью решения проблемы воспроизводимости свойств от образца к
образцу, т.е. их зависимости от технологических факторов: размера и дис-
персии кристаллитов, метода активации порошка, режимов прессования и
спекания и т.д. В этом отношении метод индентирования позволяет выпол-
нить большой объем измерений на ограниченном (а в отдельных случаях и
на одном) количестве образцов.
Физика и техника высоких давлений 2004, том 14, № 2
123
Метод кинетической твердости, разработанный в 70-е гг. В.П. Алехиным
и С.П. Булычевым [3], дает возможность существенно увеличивать объем
получаемой информации при воздействии на исследуемый материал сосре-
доточенной нагрузкой. В частности, использование данного метода позволя-
ет измерять активационные параметры процесса пластической деформации,
степень упругого восстановления отпечатка, модуль Юнга и другие величи-
ны, определяющие характер протекания процессов пластической деформа-
ции и разрушения.
В последние годы заметно активизировались исследования в области ки-
нетической твердости, чему во многом способствовало применение данной
методики в наномасштабе (см., напр., [4]). При всех достоинствах, прояв-
ляющихся при изучении нанокристаллических объектов, метод наноинден-
тирования малоприменим при исследовании физико-механических свойств
реальных керамических образцов, в том числе и тех, которые установлены с
использованием нанотехнологии. Для микроскопических образцов метод
наноиндентирования не позволяет получить достоверную информацию о
прочностных и пластических свойствах объекта макромасштаба. Несомнен-
но, корреляция свойств материала и параметров измерений существует, но
более оправданным в таких опытах представляется измерение кинетической
твердости, когда размер отпечатка много больше размера зерна образца.
Особую ценность метод кинетической твердости приобретает при изуче-
нии физико-механических свойств керамики на основе частично стабилизи-
рованного диоксида циркония.
В ранее выполненных исследованиях процесса внедрения алмазной пира-
миды Виккерса в керамику на основе диоксида циркония был выявлен целый
ряд особенностей методического характера [5,6]. Отметим некоторые из них.
Во-первых, внедрение индентора в керамику из частично стабилизиро-
ванного диоксида циркония с содержанием тетрагональной фазы в количе-
стве 70−100% сопровождается формированием отпечатка, аналогичного то-
му, который получается при деформировании пластических тел. Вокруг от-
печатка образуются трещины Палмквиста, залегающие на глубине, не пре-
вышающей глубину внедрения индентора, и латеральные трещины, распо-
ложенные параллельно поверхности образца (рис. 1).
Во-вторых, вследствие высокой трещиностойкости керамики из частично
стабилизированного диоксида циркония образование микротрещин вблизи
углов отпечатка индентора происходит при экстремально высоком значении
усилия, прикладываемого к индентору: F ≥ 40 N.
В-третьих, высокие значения нагрузки, прикладываемой к индентору, оп-
ределяют повышенные требования к скорости набора данного значения на-
грузки, т.е. определяются кинетикой деформирования. Таким образом, реко-
мендуемое время стандартных испытаний (t = 10–30 s) означает dF/dt ≥ 10 N/s
и dh/dt ≥ 1 mm/min, что не позволяет адекватно сопоставлять измеренные
значения с данными, полученными для других материалов.
Физика и техника высоких давлений 2004, том 14, № 2
124
а б в
Рис. 1. Изменение структуры укола пирамидой Виккерса образцов пластичных (а),
хрупких (б) и изготовленных из ZrO2 (в) с ростом нагрузки на индентор
Наконец, в-четвертых, сочетание экстремальных условий механических
испытаний (больших значений прикладываемой к индентору нагрузки и ма-
лой деформации при его внедрении) предъявляет повышенные требования к
конструкции установки.
Анализ конструкционных особенностей установок для механических ис-
пытаний путем вдавливания жесткого индентора в образец с непрерывной
записью глубины внедрения h в зависимости от величины прикладываемого
усилия F показал, что, как правило, тензодатчик, фиксирующий величину
усилия, располагается между опорами (захватами) испытательной машины.
Датчики перемещения в этих устройствах (тензодатчики электросопротив-
ления или тензодатчики емкостного, индуктивного тока) обычно фиксируют
величину взаимного перемещения опор испытательной машины ε. В этом
случае можно сформулировать описанное выше условие в виде соотношения
ε = ε0 + ε1,
где ε0 – деформация образца (в нашем случае ε0 = h); ε1 – деформация упру-
гого элемента тензодатчика, с помощью которого измеряется усилие.
При деформировании высокопрочных керамических материалов со зна-
чениями коэффициента трещиностойкости K1С > 4 MPa·m1/2 (в первую оче-
редь это относится к частично стабилизированному диоксиду циркония) при
стандартной схеме нагружения выполняется условие
ε0 ≤ ε1,
т.е. получаемые экспериментальные кривые F(h) не отличаются достоверно-
стью. Более того, величина погрешности будет возрастать с расширением
диапазона исследуемых нагрузок.
Физика и техника высоких давлений 2004, том 14, № 2
125
Отметим, что в пластичных материалах или хрупкой керамике подобных
противоречий не возникает, поскольку либо ε0 >> ε1 (пластичный материал),
либо максимальная величина прикладываемого усилия к индентору на-
столько мала (хрупкий материал), что не вносит существенной погрешности
в измерение F(h).
В настоящей работе предложено устройство для записи кинетических ха-
рактеристик процесса внедрения жесткого индентора в твердые материалы
любого типа. Данное устройство позволяет устранить указанные выше про-
тиворечия путем использования дифференциальной записи перемещения
индентора, которая регистрирует истинное перемещение индентора относи-
тельно образца.
На рис. 2 представлена схема нагружения образца с непрерывной записью
процесса внедрения алмазного индентора.
Алмазная пирамида Виккерса 1 жестко крепится к держателю 2. Послед-
ний посредством стальной пластины 3, к которой приклеены тензодатчики
4, закрепляется на неподвижной траверзе 5 испытательной машины. С по-
мощью тензодатчиков фиксируется величина усилия, прикладываемая к ал-
мазному индентору.
Глубина внедрения алмазного индентора 1 в исследуемый образец 6 из-
меряется с помощью упругого элемента 7, представляющего собой тонкую
стальную пластину с наклеенными на него тензодатчиками 8. Данный упру-
гий элемент с помощью держателя 9 крепится к подвижной траверзе 10 ис-
пытательной машины.
Указанная конструкция по-
зволяет исключить фиксацию
упругой деформации стальной
пластины при измерении глу-
бины внедрения индентора, по-
скольку датчик деформации
измеряет только относительное
перемещение нижней траверзы
испытательной машины в сис-
теме алмазный индентор−иссле-
дуемый образец. Сравнитель-
ные испытания традиционной
схемы записи кинетических
харакеристик и предлагаемой в
настоящей работе показали, что
уже при усилиях на инденторе,
превышающих 20 N, наблюда-
ются заметные отличия харак-
теристик F(h). Что же касается
интервала нагрузок 200−500 N,
Рис. 2. Схема устройства для дифференци-
альной записи кинетических кривых при ин-
дентировании
Физика и техника высоких давлений 2004, том 14, № 2
126
который использовался при иссле-
довании физико-механических
свойств керамики частично стаби-
лизированного диоксида цирко-
ния, то предложенная схема диф-
ференциальной записи кинетиче-
ских кривых F(h) наиболее адек-
ватно отражает кинетику процесса
внедрения жесткого индентора в
высокопрочную керамику из час-
тично стабилизированного диок-
сида циркония.
На рис. 3 в качестве иллюстра-
ции приведены кинетические кри-
вые F(h), полученные с помощью
разработанного устройства при исследовании процесса внедрения жесткого
индентора в керамику частично стабилизированного диоксида циркония,
содержащую 100% тетрагональной фазы.
Выводы
Рассмотрение особенностей методики исследования физико-механических
свойств керамики на основе частично стабилизированного диоксида цирко-
ния методом индентирования показало необходимость совершенствования
данной методики. С этой целью было разработано устройство для диффе-
ренциальной записи кривых при индентировании, которое позволяет прово-
дить измерения истинного перемещения индентора относительно образца.
1. В.И. Барбашов, Ю.Б. Ткаченко, ФТВД 5, № 2, 24 (1995).
2. В.И. Барбашов, В.В. Токий, Ю.Б. Ткаченко, ФТВД 5, № 4, 53 (1995).
3. В.П. Алехин, С.П. Булычев, ФХОМ № 3, 178 (1978).
4. И.Ю. Головин, В.И. Иволгин, Конденсированные среды и межфазные границы 3,
№ 2, 122 (2001).
5. В.И. Барбашов, Н.Н. Белоусов, ФТВД 11, № 2, 86 (2001).
6. В.И. Барбашов, Г.А. Гогоци, Г.Я. Акимов, В.М. Тимченко, Э.В. Чайка, Огнеупо-
ры и техническая керамика № 4, 5 (2002).
V.I. Barbashov, E.V. Chaika, Yu.A. Komysa, Yu.B. Tkachenko
A DEVICE FOR DIFFERENTIAL RECORDING OF KINETIC CURVES
DURING THE INDENTATION
Peculiarities of studying physico-mechanical properties of ceramic materials based on
partially stabilized zirconia by using the indentation method have been considered. It is
Рис. 3. Кинетическая кривая деформиро-
вания (с = 100%) при скоростях деформа-
ции, mm/min: 1 − 0.05, 2 − 0.5
Физика и техника высоких давлений 2004, том 14, № 2
127
shown that true travel of the indenter relative to the sample need be measured accurately.
A device for differential recording of curves during the indentation has been described.
Fig. 1. Changes in configuration of piercing samples by Vickers pyramid with the in-
crease of indenter load (а − plastic samples, б − brittle and в − made of ZrO2)
Fig. 2. Scheme of device for differential recording of kinetic curves during the indentation
Fig. 3. Kinetic deformation curve (с = 100%) for deformation rates, mm/min: 1 − 0.05,
2 − 0.5
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-168076 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0868-5924 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:40:32Z |
| publishDate | 2004 |
| publisher | Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Барбашов, В.И. Чайка, Э.В. Комыса, Ю.А. Ткаченко, Ю.Б. 2020-04-20T19:14:22Z 2020-04-20T19:14:22Z 2004 Устройство для дифференциальной записи кинетических кривых при индентировании / В.И. Барбашов, Э.В. Чайка, Ю.А. Комыса, Ю.Б. Ткаченко // Физика и техника высоких давлений. — 2004. — Т. 14, № 2. — С. 122-127. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 0868-5924 PACS: 81.20.Ev, 81.20.Lb, 81.70.Dw, 81.40.Np https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/168076 Рассмотрены особенности методики изучения физико-механических свойств керамики на основе частично стабилизированного диоксида циркония методом индентирования. Показана необходимость точного измерения истинного перемещения индентора относительно образца. Описано устройство для дифференциальной записи кривых при индентировании. Peculiarities of studying physico-mechanical properties of ceramic materials based on partially stabilized zirconia by using the indentation method have been considered. It is shown that true travel of the indenter relative to the sample need be measured accurately. A device for differential recording of curves during the indentation has been described. ru Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України Физика и техника высоких давлений Устройство для дифференциальной записи кинетических кривых при индентировании A device for differential recording of kinetic curves during the indentation Article published earlier |
| spellingShingle | Устройство для дифференциальной записи кинетических кривых при индентировании Барбашов, В.И. Чайка, Э.В. Комыса, Ю.А. Ткаченко, Ю.Б. |
| title | Устройство для дифференциальной записи кинетических кривых при индентировании |
| title_alt | A device for differential recording of kinetic curves during the indentation |
| title_full | Устройство для дифференциальной записи кинетических кривых при индентировании |
| title_fullStr | Устройство для дифференциальной записи кинетических кривых при индентировании |
| title_full_unstemmed | Устройство для дифференциальной записи кинетических кривых при индентировании |
| title_short | Устройство для дифференциальной записи кинетических кривых при индентировании |
| title_sort | устройство для дифференциальной записи кинетических кривых при индентировании |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/168076 |
| work_keys_str_mv | AT barbašovvi ustroistvodlâdifferencialʹnoizapisikinetičeskihkrivyhpriindentirovanii AT čaikaév ustroistvodlâdifferencialʹnoizapisikinetičeskihkrivyhpriindentirovanii AT komysaûa ustroistvodlâdifferencialʹnoizapisikinetičeskihkrivyhpriindentirovanii AT tkačenkoûb ustroistvodlâdifferencialʹnoizapisikinetičeskihkrivyhpriindentirovanii AT barbašovvi adevicefordifferentialrecordingofkineticcurvesduringtheindentation AT čaikaév adevicefordifferentialrecordingofkineticcurvesduringtheindentation AT komysaûa adevicefordifferentialrecordingofkineticcurvesduringtheindentation AT tkačenkoûb adevicefordifferentialrecordingofkineticcurvesduringtheindentation |