Наноиндентирование поверхностных слоев материалов
С помощью наноиндентора G200 исследована нанотвердость в приповерхностных слоях циркония, меди
 и хрома. Показано, что устойчивые значения твердости можно получить, только начиная с глубин порядка
 500 нм в зависимости от состояния поверхности исследуемого образца З допомогою наноінд...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Datum: | 2009 |
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2009
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/90723 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Наноиндентирование поверхностных слоев материалов / В.А. Белоус, В.С. Павлов, Г.Н. Толмачева // Вопросы атомной науки и техники. — 2009. — № 6. — С. 146-148. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860163090298961920 |
|---|---|
| author | Белоус, В.А. Павлов, В.С. Толмачева, Г.Н. |
| author_facet | Белоус, В.А. Павлов, В.С. Толмачева, Г.Н. |
| citation_txt | Наноиндентирование поверхностных слоев материалов / В.А. Белоус, В.С. Павлов, Г.Н. Толмачева // Вопросы атомной науки и техники. — 2009. — № 6. — С. 146-148. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Вопросы атомной науки и техники |
| description | С помощью наноиндентора G200 исследована нанотвердость в приповерхностных слоях циркония, меди
и хрома. Показано, что устойчивые значения твердости можно получить, только начиная с глубин порядка
500 нм в зависимости от состояния поверхности исследуемого образца
З допомогою наноіндентора G200 досліджена нанотвердість в приповерхневих шарах цирконію, міді та
хрому. Показано, що стабільні значення нанотвердості можна здобути лише починаючи з глубин 500 нм в
залежності від стану поверхні досліджуємого матеріалу.
With the help of nanoindenter G200 zirconium, copper and chrome near-surface layer nanohardness was studied.
It is shown, that stable value of nanohardness can be obtained only from depth below 500 nm depending on investigated
material surface condition.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:55:38Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 661.65:661.55
НАНОИНДЕНТИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ
СЛОЕВ МАТЕРИАЛОВ
В.А. Белоус, В.С. Павлов, Г.Н. Толмачева
Национальный научный центр “Харьковский физико-технический институт”,
Харьков, Украина
С помощью наноиндентора G200 исследована нанотвердость в приповерхностных слоях циркония, меди
и хрома. Показано, что устойчивые значения твердости можно получить, только начиная с глубин порядка
500 нм в зависимости от состояния поверхности исследуемого образца.
Особенность наноиндентирования на современ-
ных приборах для измерения твердости заключается
в том, что силовое воздействие и глубина внедрения
индентора измеряются непрерывно. Такие данные
содержат дополнительную информацию о припо-
верхностных свойствах структур материалов, по-
крытий и тонких пленок в микро- и нанодиапазонах
[1, 2, 3]. Однако априори понятно, что на эти изме-
рения существенную роль будет оказывать состоя-
ние поверхности, в частности шероховатость этих
материалов. С целью исследования возможностей
метода наноиндентирования для анализа процессов,
протекающих в приповерхностных слоях (ионное
легирование, азотирование, оплавление поверхности
и т.д.) различных материалов, и проведена настоя-
щая работа.
Источником информации о материале при нано-
индентировании является непрерывно регистрируе-
мая зависимость величины смещения индентора h от
величины приложенной нормальной нагрузки P
(рис. 1). Получаемая в результате индентирования
диаграмма нагружения (или P-h-диаграмма) состоит
из нагрузочной и разгрузочной ветвей. Кривая на-
гружения характеризует сопротивление материала
внедрению жесткого индентора и отражает как уп-
ругие, так и пластические свойства исследуемого
материала. Разгрузочная кривая определяется глав-
ным образом упругим восстановлением отпечатка
индентора. Анализ таких P-h-диаграмм в рамках
соответствующих моделей дает возможность полу-
чить всю необходимую информацию о механиче-
ских свойствах материала под индентором [4]. Более
подробную информацию о диаграммах внедрения
индентора, определении нанотвердости и модуля
Юнга можно ознакомиться в работах [5-8].
Рис. 1. Вид кривой непрерывного индентирования
Эксперименты проводились на нанотвердомере
Nano Indenter G200 (MTS Systems, США) трехгран-
ной алмазной пирамидкой Берковича на образцах,
отличающихся не только шероховатостью, но и спо-
собом обработки их поверхности. Оптические сним-
ки поверхности исследуемых образцов приведены
на рис. 2.
Скорость приближения к поверхности и макси-
мальная нагрузка на образец не менялись и состав-
ляли соответственно 10 нм/с и 10 г.
Перед испытаниями проводилась калибровка на
плавленном кварце.
а б
в г
Рис. 2. Вид поверхности, ×250:
a - сплава Э110 после механической полировки;
б - Zr после зонной плавки; в - меди после полировки;
г - конденсата хрома
На рис. 3-6 приведена получаемая зависимость
твердости материалов от глубины проникновения
индентора в материал. Кривая 1 на рис. 5 соответст-
вует индентированию в одной точке поверхности,
кривая 2 - внедрению индентора в другой точке по-
верхности того же образца. Как видно из графика, в
начальный период внедрения индентора в поверх-
ность наблюдаются как аномально высокие значе-
ния твердости, так и аномально низкие. При после-
дующем внедрении индентора в материал наблюда-
ется сходимость кривых 1 и 2 к одному значению.
Глубина, на которой сойдутся значения твердости,
зависит от состояния поверхности (чем уровень ше-
146 ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2009. №6.
Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (18), с. 146-148.
роховатости ниже, тем на меньшей глубине сойдут-
ся величины твердости) и от однородности материа-
ла и их повторяемости в тестируемых точках. Сле-
дует отметить, что чаще наблюдается зависимость 1,
а зависимость 2 при измерениях может вообще от-
сутствовать. Такое поведение твердости с глубиной
проникновения в материал можно понять, если
представить, что поверхность материала представ-
ляет собой чередование выступов и впадин, обра-
зующихся при механической и, в меньшей степени,
химической и электрохимической обработках по-
верхности. Поверхность пленки, получаемой мето-
дом конденсации из паровой фазы, состоит из пира-
мидальных образований различной высоты и углуб-
лений между ними, обусловленных закономерно-
стями роста конденсата.
147
Модель поверхности изображена условно на
рис. 7. При индентировании идеально ровной по-
верхности (см. рис. 7,а) при прикосновении инден-
тора к ней начинается отсчет глубины проникнове-
ния индентора и увеличивается нагрузка на инден-
тор. Глубина проникновения индентора растет в
зависимости от твердости испытываемого материа-
ла.
При попадании индентора на вершину пирами-
дального образования (или выступ) индентор про-
никает на большую глубину по сравнению с ровным
участком при одной и той же нагрузке, так как со-
противление его вдавливанию будет меньше (см.
рис. 7, б). В результате на диаграмме «твердость-
глубина проникновения» получим меньшее значе-
ние твердости по сравнению с ровным участком.
Рис. 3. Зависимость твердости сплава Э110
от глубины индентирования
Рис. 4. Зависимость твердости Zr от глубины
индентирования
1
2
Рис. 5. Зависимость твердости конденсата хрома
от глубины индентирования
Рис. 6. Зависимость твердости Cu от глубины
индентирования
б
в
а
Рис. 7. Модель поверхности после механо-
химической обработки:
P1‹P‹P2- нагрузка; l - глубина проникновения, во всех
случаях одинакова
Если индентор попадает во впадину (см.
рис. 7,в), то для проникновения его на ту же глубину
l, что и на ровном участке, необходима гораздо
большая нагрузка, так как сопротивление проникно-
вению индентора будут оказывать еще и стенки
впадины. На той же диаграмме «твердость-глубина
проникновения индентора» получим большее зна-
чение твердости. Это различие в значениях твердо-
сти будет происходить до тех глубин проникнове-
ния индентора, когда сопротивление материала его
внедрению на вершинах пиков и на дне впадины не
станет равным значению твердости на ровной по-
верхности.
148
ВЫВОДЫ
Показано, что методом индентирования можно
исследовать свойства, протекающие в приповерхно-
стных слоях материалов, на глубине не менее
500 нм из-за несовершенства их поверхности.
ЛИТЕРАТУРА
1. В.К. Григорович. Твердость и микротвер-
дость металлов. М.: «Наука», 1976, 230 с.
2. Ю.И. Головин, В.И. Иволгин, В.В. Коренков,
Р.И. Рябко. Определение комплекса механических
свойств материалов в нанообъемах методом нано-
индентирования // Конденсированные среды и меж-
фазные границы. 2001, т. 3, № 2, с. 122-135.
3. Ю.И. Головин, В.И. Иволгин, Р.И. Рябко.
Вязкоупругое восстановление различных материа-
лов в области динамического наноконтакта // Пись-
ма в ЖТФ. 2004, т. 30, в. 5, с. 64-69.
4. Ю.И. Головин. Введение в нанотехнику. М.:
«Машиностроение», 2007.
5. С.Н. Дуб, Н.В. Новиков. Испытания твердых
тел на нанотвердость // Сверхтвердые материалы.
2004, № 6.
6. W.C. Oliver and G.M. Pharr. An Improved
Technique for Determining Hardness and Elastic Mod-
ulus Using Load and Displace-ment Sensing Indentation
Experiments // J. Mater. Res. 1992, v. 7, № 6, p. 1564–
1583.
7. W.C. Oliver and G.M. Pharr, Measurement of
hardness and elastic modulus by instrumented indenta-
tion: Advances in understanding and refinements to
methodology // J. Mater. Res. 2004, v. 19, №1, p. 3–20.
8. М.Л. Трунов, В.С. Биланч, С.Н. Дуб. Исследо-
вание времязависимого механического поведения
материалов при испытаниях на нанотвердость //
Письма в ЖТФ. 2007, т. 77, в. 10, с. 50-57.
Статья поступила в редакцию 21.10.2009 г.
НАНОІНДЕНТУВАННЯ ПОВЕРХНЕВИХ ШАРІВ МАТЕРІАЛІВ
В.А. Білоус, В.С. Павлов, Г.М. Толмачова
З допомогою наноіндентора G200 досліджена нанотвердість в приповерхневих шарах цирконію, міді та
хрому. Показано, що стабільні значення нанотвердості можна здобути лише починаючи з глубин 500 нм в
залежності від стану поверхні досліджуємого матеріалу.
NANO INDENTATION OF NEAR-SURFACE LAYERS OF MATERIAL
B.A. Belous, V.S. Pavlov, G.N. Tolmacheva
With the help of nanoindenter G200 zirconium, copper and chrome near-surface layer nanohardness was studied.
It is shown, that stable value of nanohardness can be obtained only from depth below 500 nm depending on investi-
gated material surface condition.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-90723 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1562-6016 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:55:38Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Белоус, В.А. Павлов, В.С. Толмачева, Г.Н. 2016-01-02T17:16:50Z 2016-01-02T17:16:50Z 2009 Наноиндентирование поверхностных слоев материалов / В.А. Белоус, В.С. Павлов, Г.Н. Толмачева // Вопросы атомной науки и техники. — 2009. — № 6. — С. 146-148. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/90723 661.65:661.55 С помощью наноиндентора G200 исследована нанотвердость в приповерхностных слоях циркония, меди
 и хрома. Показано, что устойчивые значения твердости можно получить, только начиная с глубин порядка
 500 нм в зависимости от состояния поверхности исследуемого образца З допомогою наноіндентора G200 досліджена нанотвердість в приповерхневих шарах цирконію, міді та
 хрому. Показано, що стабільні значення нанотвердості можна здобути лише починаючи з глубин 500 нм в
 залежності від стану поверхні досліджуємого матеріалу. With the help of nanoindenter G200 zirconium, copper and chrome near-surface layer nanohardness was studied.
 It is shown, that stable value of nanohardness can be obtained only from depth below 500 nm depending on investigated
 material surface condition. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Физика и технология конструкционных материалов Наноиндентирование поверхностных слоев материалов Наноіндентування поверхневих шарів матеріалів Nano indentation of near-surface layers of material Article published earlier |
| spellingShingle | Наноиндентирование поверхностных слоев материалов Белоус, В.А. Павлов, В.С. Толмачева, Г.Н. Физика и технология конструкционных материалов |
| title | Наноиндентирование поверхностных слоев материалов |
| title_alt | Наноіндентування поверхневих шарів матеріалів Nano indentation of near-surface layers of material |
| title_full | Наноиндентирование поверхностных слоев материалов |
| title_fullStr | Наноиндентирование поверхностных слоев материалов |
| title_full_unstemmed | Наноиндентирование поверхностных слоев материалов |
| title_short | Наноиндентирование поверхностных слоев материалов |
| title_sort | наноиндентирование поверхностных слоев материалов |
| topic | Физика и технология конструкционных материалов |
| topic_facet | Физика и технология конструкционных материалов |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/90723 |
| work_keys_str_mv | AT belousva nanoindentirovaniepoverhnostnyhsloevmaterialov AT pavlovvs nanoindentirovaniepoverhnostnyhsloevmaterialov AT tolmačevagn nanoindentirovaniepoverhnostnyhsloevmaterialov AT belousva nanoíndentuvannâpoverhnevihšarívmateríalív AT pavlovvs nanoíndentuvannâpoverhnevihšarívmateríalív AT tolmačevagn nanoíndentuvannâpoverhnevihšarívmateríalív AT belousva nanoindentationofnearsurfacelayersofmaterial AT pavlovvs nanoindentationofnearsurfacelayersofmaterial AT tolmačevagn nanoindentationofnearsurfacelayersofmaterial |