Development of the Instrumental Indentation Method in Diagnostics of Physical and Mechanical Properties of Hardened Surface Layers and Coatings of Materials in Engineering Products
DOI:
https://doi.org/10.24160/1993-6982-2024-2-166-175Keywords:
instrumental indentation, tensioning, acoustic emission, physical and mechanical propertiesAbstract
The instrument indentation method is considered, and its capacities in performing operative diagnostics of the physical and mechanical properties of the surface layers of structural materials and hardening coatings are demonstrated. New methods for determining the normal elasticity modulus from the initial elastic section of indentation diagram and the hardness characteristics in the areas of low and developed elastic-plastic deformation obtained by applying instrumental indentation with a ball indenter have been developed. The necessity of considering the deformation hardening parameter in establishing the link between the deformations in tensioning a specimen and in pressing-in the indenter is substantiated. A method for promptly estimating the material yield strength to ultimate strength ratio as an important diagnostic parameter of the material structural-mechanical state is proposed. It has been demonstrated that the use of the instrumental indentation method in combination with the acoustic emission method widens the capabilities of diagnosing the crack resistance characteristics of hardening coatings.
References
1. Калей Г.Н. Некоторые результаты испытаний на микротвердость по глубине отпечатка // Машиноведение. 1968. № 3. С. 105.
2. Терновский А.П. и др. О микромеханических испытаниях материалов путем вдавливания // Заводская лаборатория. 1973. № 10. С. 1242—1246.
3. Дегтярев В.И., Матюнин В.М., Лагвешкин В.Я. Автоматическая запись диаграмм твердости // Теплоэнергетика и энергомашиностроение. 1972. Вып. 104. С. 86—89.
4. Пат. № 365622 СССР. Способ определения предела прочности материалов / Марковец М.П., Куртен Л.И., Матюнин В.М., Плотников В.П., Дегтярев В.И. // Бюл. изобрет. 1970. № 6.
5. Булычев С.И., Алехин В.П. Испытание материалов непрерывным вдавливанием индентора. М.: Машиностроение, 1990.
6. Бакиров М.Б., Потапов В.В. Феноменологическая методика определения механических свойств корпусных сталей ВВЭР по диаграммам вдавливания шарового индентора // Заводская лаборатория. 2000. Т. 66. № 12. С. 35—43.
7. Ahn J.-H., Kwon D. Derivation of Plastic Stress-strain Relationship from Ball Indentations: Examination of Strain Definition and Pileup Effect // J. Mater. Res. 2001. V. 16. No. 11. Pp. 3170—3178.
8. Oliver W.C., Pharr G.M. Measurement of Hardness фnd Elastic Modulus by Instrumented Indentation: Advances in Understanding and Refinements to Methodology // J. Materials Research Soc. 2004. V. 19(1). Pp. 3—20.
9. Шабанов В.М. Сопротивление металлов начальной пластической деформации при вдавливании сферического индентора // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2008. Т. 74. № 6. С. 63—69.
10. Головин Ю.И. Наноиндентирование и его возможности. М.: Машиностроение, 2009.
11. Ogar P.M., Gorokhov D.V. The Relationship between Deformation of Spherical Indentation // Key Eng. Mater. 2016. V. 723. Pp. 363—368.
12. Mahmoudi A.H., Nourbakhsh S.H. A Neural Networks Approach to Characterize Material Properties Using the Spherical Indentation Test // Procedia Engineering. 2011. V. 10. Pp. 3062—3067.
13. Matyunin V.M. e. a. Evaluation of Young’s Modulus of Construction Materials by Instrumented Indentation Using a Ball Indenter // Industrial laboratory. Diagnostics of materials. 2021. V. 87(8). Pp. 64—68.
14. Матлин М.М., Мозгунова А.И., Казанкина У.Н., Казанкин В.А. Методы неразрушающего контроля прочностных свойств деталей машин. М.: Инновационное машиностроение, 2019.
15. Матюнин В.М. Индентирование в диагностике механических свойств материалов. М.: Издат. дом МЭИ, 2015.
16. Evans A.G., Charles E.A. Fracture Toughness Determination by Indentation // J. American Ceramic Soc. 1976. V. 59. Pp. 371—372.
17. Матюнин В.М., Марченков А.Ю., Петрова М.П., Зилова О.С., Панькина А.А., Свиридов Г.Б. Определение работы зарождения и распространения трещин при инструментальном индентировании хрупких материалов и упрочняющих покрытий // Деформация и разрушение материалов. 2023. № 9. C. 33—40.
---
Для цитирования: Матюнин В.М., Марченков А.Ю., Каримбеков М.А., Жгут Д.А., Панькина А.А., Свиридов Г.Б., Горячкина М.В., Петрова М.П., Цветкова Н.О. Развитие метода инструментального индентирования в диагностике физико-механических свойств упрочненных поверхностных слоев материалов и покрытий изделий машиностроения // Вестник МЭИ. 2024. № 2. С. 166—175. DOI: 10.24160/1993-6982-2024-2-166-175
---
Работа выполнена при поддержке: Российского научного фонда (грант № 22-19-00590), https://rscf.ru/project/22-19-00590/
#
1. Kaley G.N. Nekotorye Rezul'taty Ispytaniy na Mikrotverdost' po Glubine Otpechatka. Mashinovedenie. 1968;3:105. (in Russian).
2. Ternovskiy A.P. i dr. O Mikromekhanicheskikh Ispytaniyakh Materialov Putem Vdavlivaniya. Zavodskaya Laboratoriya. 1973;10:1242—1246. (in Russian).
3. Degtyarev V.I., Matyunin V.M., Lagveshkin V.Ya. Avtomaticheskaya Zapis' Diagramm Tverdosti. Teploenergetika i Energomashinostroenie. 1972;104:86—89. (in Russian).
4. Pat № 365622 SSSR. Sposob Opredeleniya Predela Prochnosti Materialov. Markovets M.P., Kurten L.I., Matyunin V.M., Plotnikov V.P., Degtyarev V.I. Byul. Izobret. 1970;6. (in Russian).
5. Bulychev S.I., Alekhin V.P. Ispytanie Materialov Nepreryvnym Vdavlivaniem Indentora. M.: Mashinostroenie, 1990. (in Russian).
6. Bakirov M.B., Potapov V.V. Fenomenologicheskaya Metodika Opredeleniya Mekhanicheskikh Svoystv Korpusnykh Staley VVER po Diagrammam Vdavlivaniya Sharovogo Indentora. Zavodskaya Laboratoriya. 2000;66;12:35—43. (in Russian).
7. Ahn J.-H., Kwon D. Derivation of Plastic Stress-strain Relationship from Ball Indentations: Examination of Strain Definition and Pileup Effect. J. Mater. Res. 2001;16;11:3170—3178.
8. Oliver W.C., Pharr G.M. Measurement of Hardness fnd Elastic Modulus by Instrumented Indentation: Advances in Understanding and Refinements to Methodology. J. Materials Research Soc. 2004;19(1):3—20.
9. Shabanov V.M. Soprotivlenie Metallov Nachal'noy Plasticheskoy Deformatsii pri Vdavlivanii Sfericheskogo Indentora. Zavodskaya Laboratoriya. Diagnostika Materialov. 2008;74;6:63—69. (in Russian).
10. Golovin Yu.I. Nanoindentirovanie i Ego Vozmozhnosti. M.: Mashinostroenie, 2009. (in Russian).
11. Ogar P.M., Gorokhov D.V. The Relationship between Deformation of Spherical Indentation. Key Eng. Mater. 2016;723:363—368.
12. Mahmoudi A.H., Nourbakhsh S.H. A Neural Networks Approach to Characterize Material Properties Using the Spherical Indentation Test. Procedia Engineering. 2011;10:3062—3067.
13. Matyunin V.M. e. a. Evaluation of Young’s Modulus of Construction Materials by Instrumented Indentation Using a Ball Indenter. Industrial laboratory. Diagnostics of materials. 2021;87(8):64—68.
14. Matlin M.M., Mozgunova A.I., Kazankina U.N., Kazankin V.A. Metody Nerazrushayushchego Kontrolya Prochnostnykh Svoystv Detaley Mashin. M.: Innovatsionnoe Mashinostroenie, 2019. (in Russian).
15. Matyunin V.M. Indentirovanie v Diagnostike Mekhanicheskikh Svoystv Materialov. M.: Izdat. Dom MEI, 2015. (in Russian).
16. Evans A.G., Charles E.A. Fracture Toughness Determination by Indentation. J. American Ceramic Soc. 1976;59:371—372.
17. Matyunin V.M., Marchenkov A.Yu., Petrova M.P., Zilova O.S., Pan'kina A.A., Sviridov G.B. Opredelenie Raboty Zarozhdeniya i Rasprostraneniya Treshchin pri Instrumental'nom Indentirovanii Khrupkikh Materialov i Uprochnyayushchikh Pokrytiy. Deformatsiya i Razrushenie Materialov. 2023;9:33—40. (in Russian)
---
For citation: Matyunin V.M., Marchenkov A.Yu., Karimbekov M.A., Zhgut D.A., Pan’kina A.A., Sviridov G.B., Goryachkina M.V., Petrova M.P., Tsvetkova N.O. Development of the Instrumental Indentation Method in Diagnostics of Physical and Mechanical Properties of Hardened Surface Layers and Coatings of Materials in Engineering Products. Bulletin of MPEI. 2024;2:166—175. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2024-2-166-175
---
The work is executed at support: Russian Science Foundation (Grant No. 22-19-00590), https://rscf.ru/project/22-19-00590/
2. Терновский А.П. и др. О микромеханических испытаниях материалов путем вдавливания // Заводская лаборатория. 1973. № 10. С. 1242—1246.
3. Дегтярев В.И., Матюнин В.М., Лагвешкин В.Я. Автоматическая запись диаграмм твердости // Теплоэнергетика и энергомашиностроение. 1972. Вып. 104. С. 86—89.
4. Пат. № 365622 СССР. Способ определения предела прочности материалов / Марковец М.П., Куртен Л.И., Матюнин В.М., Плотников В.П., Дегтярев В.И. // Бюл. изобрет. 1970. № 6.
5. Булычев С.И., Алехин В.П. Испытание материалов непрерывным вдавливанием индентора. М.: Машиностроение, 1990.
6. Бакиров М.Б., Потапов В.В. Феноменологическая методика определения механических свойств корпусных сталей ВВЭР по диаграммам вдавливания шарового индентора // Заводская лаборатория. 2000. Т. 66. № 12. С. 35—43.
7. Ahn J.-H., Kwon D. Derivation of Plastic Stress-strain Relationship from Ball Indentations: Examination of Strain Definition and Pileup Effect // J. Mater. Res. 2001. V. 16. No. 11. Pp. 3170—3178.
8. Oliver W.C., Pharr G.M. Measurement of Hardness фnd Elastic Modulus by Instrumented Indentation: Advances in Understanding and Refinements to Methodology // J. Materials Research Soc. 2004. V. 19(1). Pp. 3—20.
9. Шабанов В.М. Сопротивление металлов начальной пластической деформации при вдавливании сферического индентора // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2008. Т. 74. № 6. С. 63—69.
10. Головин Ю.И. Наноиндентирование и его возможности. М.: Машиностроение, 2009.
11. Ogar P.M., Gorokhov D.V. The Relationship between Deformation of Spherical Indentation // Key Eng. Mater. 2016. V. 723. Pp. 363—368.
12. Mahmoudi A.H., Nourbakhsh S.H. A Neural Networks Approach to Characterize Material Properties Using the Spherical Indentation Test // Procedia Engineering. 2011. V. 10. Pp. 3062—3067.
13. Matyunin V.M. e. a. Evaluation of Young’s Modulus of Construction Materials by Instrumented Indentation Using a Ball Indenter // Industrial laboratory. Diagnostics of materials. 2021. V. 87(8). Pp. 64—68.
14. Матлин М.М., Мозгунова А.И., Казанкина У.Н., Казанкин В.А. Методы неразрушающего контроля прочностных свойств деталей машин. М.: Инновационное машиностроение, 2019.
15. Матюнин В.М. Индентирование в диагностике механических свойств материалов. М.: Издат. дом МЭИ, 2015.
16. Evans A.G., Charles E.A. Fracture Toughness Determination by Indentation // J. American Ceramic Soc. 1976. V. 59. Pp. 371—372.
17. Матюнин В.М., Марченков А.Ю., Петрова М.П., Зилова О.С., Панькина А.А., Свиридов Г.Б. Определение работы зарождения и распространения трещин при инструментальном индентировании хрупких материалов и упрочняющих покрытий // Деформация и разрушение материалов. 2023. № 9. C. 33—40.
---
Для цитирования: Матюнин В.М., Марченков А.Ю., Каримбеков М.А., Жгут Д.А., Панькина А.А., Свиридов Г.Б., Горячкина М.В., Петрова М.П., Цветкова Н.О. Развитие метода инструментального индентирования в диагностике физико-механических свойств упрочненных поверхностных слоев материалов и покрытий изделий машиностроения // Вестник МЭИ. 2024. № 2. С. 166—175. DOI: 10.24160/1993-6982-2024-2-166-175
---
Работа выполнена при поддержке: Российского научного фонда (грант № 22-19-00590), https://rscf.ru/project/22-19-00590/
#
1. Kaley G.N. Nekotorye Rezul'taty Ispytaniy na Mikrotverdost' po Glubine Otpechatka. Mashinovedenie. 1968;3:105. (in Russian).
2. Ternovskiy A.P. i dr. O Mikromekhanicheskikh Ispytaniyakh Materialov Putem Vdavlivaniya. Zavodskaya Laboratoriya. 1973;10:1242—1246. (in Russian).
3. Degtyarev V.I., Matyunin V.M., Lagveshkin V.Ya. Avtomaticheskaya Zapis' Diagramm Tverdosti. Teploenergetika i Energomashinostroenie. 1972;104:86—89. (in Russian).
4. Pat № 365622 SSSR. Sposob Opredeleniya Predela Prochnosti Materialov. Markovets M.P., Kurten L.I., Matyunin V.M., Plotnikov V.P., Degtyarev V.I. Byul. Izobret. 1970;6. (in Russian).
5. Bulychev S.I., Alekhin V.P. Ispytanie Materialov Nepreryvnym Vdavlivaniem Indentora. M.: Mashinostroenie, 1990. (in Russian).
6. Bakirov M.B., Potapov V.V. Fenomenologicheskaya Metodika Opredeleniya Mekhanicheskikh Svoystv Korpusnykh Staley VVER po Diagrammam Vdavlivaniya Sharovogo Indentora. Zavodskaya Laboratoriya. 2000;66;12:35—43. (in Russian).
7. Ahn J.-H., Kwon D. Derivation of Plastic Stress-strain Relationship from Ball Indentations: Examination of Strain Definition and Pileup Effect. J. Mater. Res. 2001;16;11:3170—3178.
8. Oliver W.C., Pharr G.M. Measurement of Hardness fnd Elastic Modulus by Instrumented Indentation: Advances in Understanding and Refinements to Methodology. J. Materials Research Soc. 2004;19(1):3—20.
9. Shabanov V.M. Soprotivlenie Metallov Nachal'noy Plasticheskoy Deformatsii pri Vdavlivanii Sfericheskogo Indentora. Zavodskaya Laboratoriya. Diagnostika Materialov. 2008;74;6:63—69. (in Russian).
10. Golovin Yu.I. Nanoindentirovanie i Ego Vozmozhnosti. M.: Mashinostroenie, 2009. (in Russian).
11. Ogar P.M., Gorokhov D.V. The Relationship between Deformation of Spherical Indentation. Key Eng. Mater. 2016;723:363—368.
12. Mahmoudi A.H., Nourbakhsh S.H. A Neural Networks Approach to Characterize Material Properties Using the Spherical Indentation Test. Procedia Engineering. 2011;10:3062—3067.
13. Matyunin V.M. e. a. Evaluation of Young’s Modulus of Construction Materials by Instrumented Indentation Using a Ball Indenter. Industrial laboratory. Diagnostics of materials. 2021;87(8):64—68.
14. Matlin M.M., Mozgunova A.I., Kazankina U.N., Kazankin V.A. Metody Nerazrushayushchego Kontrolya Prochnostnykh Svoystv Detaley Mashin. M.: Innovatsionnoe Mashinostroenie, 2019. (in Russian).
15. Matyunin V.M. Indentirovanie v Diagnostike Mekhanicheskikh Svoystv Materialov. M.: Izdat. Dom MEI, 2015. (in Russian).
16. Evans A.G., Charles E.A. Fracture Toughness Determination by Indentation. J. American Ceramic Soc. 1976;59:371—372.
17. Matyunin V.M., Marchenkov A.Yu., Petrova M.P., Zilova O.S., Pan'kina A.A., Sviridov G.B. Opredelenie Raboty Zarozhdeniya i Rasprostraneniya Treshchin pri Instrumental'nom Indentirovanii Khrupkikh Materialov i Uprochnyayushchikh Pokrytiy. Deformatsiya i Razrushenie Materialov. 2023;9:33—40. (in Russian)
---
For citation: Matyunin V.M., Marchenkov A.Yu., Karimbekov M.A., Zhgut D.A., Pan’kina A.A., Sviridov G.B., Goryachkina M.V., Petrova M.P., Tsvetkova N.O. Development of the Instrumental Indentation Method in Diagnostics of Physical and Mechanical Properties of Hardened Surface Layers and Coatings of Materials in Engineering Products. Bulletin of MPEI. 2024;2:166—175. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2024-2-166-175
---
The work is executed at support: Russian Science Foundation (Grant No. 22-19-00590), https://rscf.ru/project/22-19-00590/
Downloads
Published
2023-12-21
Issue
Section
Materials Science (Technical Sciences) (2.6.17)
