eng
Выпуск #3/2009
У.Ханген.
Наноинденторы HYSITRON – механическое тестирование в новом измерении
Наноинденторы HYSITRON – механическое тестирование в новом измерении
Просмотры: 2237
NanoIndentation (наноиндентирование – NI) – название метода, который позволяет проводить измерения на уровне микрометра и субнанометра. Поскольку условия измерения очень малых и больших глубин сильно различаются, стандарт ISO 14577 предполагает три уровня – нанодиапазон для всех углублений с глубиной менее 200 нм, микродиапазон от 200 нм до 2 Н и макродиапазон для сил свыше 2 Н [1,2].
Тестирование твердости – традиционный способ определения механических свойств малых объемов материалов. Алмазную пирамиду известной формы с заданной нагрузкой вдавливают в поверхность. Если тестируемый материал твердый, индентор делает маленькое углубление с небольшой контактной площадью. Традиционно контактную площадь определяют с помощью светового микроскопа, однако за последние 15 лет все чаще используется метод измерения углублений с помощью специальных приборов. Такой подход позволяет регистрировать во время эксперимента силы и смещения. Благодаря автоматизации измерений метод имеет множество преимуществ по сравнению с традиционными. Он позволяет измерять глубину проникновения, поскольку оптическое разрешение светового микроскопа больше не является фактором ограничения при анализе очень мелких углублений.
В статье приведены результаты экспериментов, в которых использовались диапазоны NI и MicroIndentation (микроиндентирование – MI).
Микроскопия со сканирующим датчиком (SPM или AFM) использует современную концепцию микроскопии. Для получения топографической карты исследуемой зоны in situ осуществляется растровое сканирование индентера по мере перемещения по образцу. Данная функция обеспечивает получение четкой картины поверхностной зоны, позволяющей проводить тестирование прочности мелких объектов с наивысшей точностью. Благодаря высокой точности позиционирования возможно тестирование с высоким пространственным разрешением образцов, имеющих небольшую глубину проникновения (рис.1).
Дамасская сталь славится сочетанием твердости и хорошей трещиностойкости. Классическая технология изготовления дамасской стали предполагает получение металла из кусков двух стальных сплавов, которые нагревают в печи, а затем куют, чтобы из отдельных кусков сформировать один твердый блок. Когда рабочий кусок становится достаточно тонким, его сгибают и сваривают путем дальнейшей ковки. Таким образом получается ламеллярная структура, обуславливающая повышенную твердость и трещиностойкость материала. Сплавы обычно используют для создания очень долговечных ножей и других инструментов (рис.2).
Тестирование твердости дамасской стали
Исследованный образец изготовлен кузнецом П. Штиненом (www.stienen-damast.de). Были использованы два стальных сплава – 1.2842 и St37.
Дамасская сталь имеет двухуровневую слоистую структуру (рис.3). На одном уровне толщина отдельного слоя стали варьирует между 50 мкм и 1 мм, в зависимости от количества этапов ковки. Механические свойства слоев протестированы путем создания ряда глубоких углублений (рис.4 и 5). При использовании силы 25 г (250 мН) прочность варьирует между 3 Гпа для перлита (HHV ~280) и 1,5 ГПа для феррита (HHV ~140).
В то время как феррит является однородным, перлит представляет собой ферритную матрицу с отложениями карбида железа. Для определения механических свойств обеих фаз использован нанотест на твердость. На рис.6 представлены изображения двух составляющих матрицы in situ. На рис.6а изображена ферритная матрица с отложениями карбида железа в местах соединения гранул, на рис.6б – закаленный перлит с отложениями карбида железа, имеющими закругленную форму.
Комбинация получения изображения in situ с технологией NI позволяет протестировать две составляющие перлитной фазы. Тестирование было проведено с использованием геометрии Cube-Corner с радиусом кончика около 50 нм. Такие параметры особенно подходят для анализа небольшой глубины. На рис.7 представлено углубление на отложениях карбида железа, которое обнаружено посредством получения изображения in situ. Сравнить углубления, сделанные на двух составляющих матрицы, позволяет рис.8. Анализ углублений (рис.9) демонстрирует, что твердость отложений карбида железа значительно выше, чем феррита.
Представленные результаты позволяют лучше изучить механическое поведение дамасской стали. Сочетание мягкой матрицы с равномерно распределенными мелкими и очень твердыми включениями обеспечивает сплаву повышенную твердость и очень хорошую трещиностойкость.
Результаты анализа методом NI показывают, что карбид железа является очень твердым, а феррит – мягким. Значение микротвердости для стали 1.2842, равное 3 ГПа, представляет собой среднее значение для двух составляющих – карбида железа и феррита.
Возможность исследования двух различных фаз сплава методом NI в дальнейшем окажет большое влияние на разработку новых материалов. Метод делает возможным определение влияния сплавообразующих элементов на твердость одной фазы. Статистический анализ углублений позволяет изучить процесс формирования сплава и влияние количества определенной фазы.
Hysitron Inc., Готфрид Хаген Штрассе 60, 51105, Кельн (Германия), Intertech corporation.
Московское представительство:
127015, Москва, Б.Новодмитровская, 36/4. Офисный центр "Хрустальный".
Тел.: (495) 232-4225, 783-3590 (многоканальный), Факс.: (495) 783-3591; Моб.: (916) 809-5951
www.intertech-corp.ru
Литература
1. W.Oliver & G.Pharr; J. Mat. Res. (1992).
2. ISO 14577 – Metallic Materials – Instrumented Indentation Test for Hardness and Materials Parameters; Part I,II,III & IV.
В статье приведены результаты экспериментов, в которых использовались диапазоны NI и MicroIndentation (микроиндентирование – MI).
Микроскопия со сканирующим датчиком (SPM или AFM) использует современную концепцию микроскопии. Для получения топографической карты исследуемой зоны in situ осуществляется растровое сканирование индентера по мере перемещения по образцу. Данная функция обеспечивает получение четкой картины поверхностной зоны, позволяющей проводить тестирование прочности мелких объектов с наивысшей точностью. Благодаря высокой точности позиционирования возможно тестирование с высоким пространственным разрешением образцов, имеющих небольшую глубину проникновения (рис.1).
Дамасская сталь славится сочетанием твердости и хорошей трещиностойкости. Классическая технология изготовления дамасской стали предполагает получение металла из кусков двух стальных сплавов, которые нагревают в печи, а затем куют, чтобы из отдельных кусков сформировать один твердый блок. Когда рабочий кусок становится достаточно тонким, его сгибают и сваривают путем дальнейшей ковки. Таким образом получается ламеллярная структура, обуславливающая повышенную твердость и трещиностойкость материала. Сплавы обычно используют для создания очень долговечных ножей и других инструментов (рис.2).
Тестирование твердости дамасской стали
Исследованный образец изготовлен кузнецом П. Штиненом (www.stienen-damast.de). Были использованы два стальных сплава – 1.2842 и St37.
Дамасская сталь имеет двухуровневую слоистую структуру (рис.3). На одном уровне толщина отдельного слоя стали варьирует между 50 мкм и 1 мм, в зависимости от количества этапов ковки. Механические свойства слоев протестированы путем создания ряда глубоких углублений (рис.4 и 5). При использовании силы 25 г (250 мН) прочность варьирует между 3 Гпа для перлита (HHV ~280) и 1,5 ГПа для феррита (HHV ~140).
В то время как феррит является однородным, перлит представляет собой ферритную матрицу с отложениями карбида железа. Для определения механических свойств обеих фаз использован нанотест на твердость. На рис.6 представлены изображения двух составляющих матрицы in situ. На рис.6а изображена ферритная матрица с отложениями карбида железа в местах соединения гранул, на рис.6б – закаленный перлит с отложениями карбида железа, имеющими закругленную форму.
Комбинация получения изображения in situ с технологией NI позволяет протестировать две составляющие перлитной фазы. Тестирование было проведено с использованием геометрии Cube-Corner с радиусом кончика около 50 нм. Такие параметры особенно подходят для анализа небольшой глубины. На рис.7 представлено углубление на отложениях карбида железа, которое обнаружено посредством получения изображения in situ. Сравнить углубления, сделанные на двух составляющих матрицы, позволяет рис.8. Анализ углублений (рис.9) демонстрирует, что твердость отложений карбида железа значительно выше, чем феррита.
Представленные результаты позволяют лучше изучить механическое поведение дамасской стали. Сочетание мягкой матрицы с равномерно распределенными мелкими и очень твердыми включениями обеспечивает сплаву повышенную твердость и очень хорошую трещиностойкость.
Результаты анализа методом NI показывают, что карбид железа является очень твердым, а феррит – мягким. Значение микротвердости для стали 1.2842, равное 3 ГПа, представляет собой среднее значение для двух составляющих – карбида железа и феррита.
Возможность исследования двух различных фаз сплава методом NI в дальнейшем окажет большое влияние на разработку новых материалов. Метод делает возможным определение влияния сплавообразующих элементов на твердость одной фазы. Статистический анализ углублений позволяет изучить процесс формирования сплава и влияние количества определенной фазы.
Hysitron Inc., Готфрид Хаген Штрассе 60, 51105, Кельн (Германия), Intertech corporation.
Московское представительство:
127015, Москва, Б.Новодмитровская, 36/4. Офисный центр "Хрустальный".
Тел.: (495) 232-4225, 783-3590 (многоканальный), Факс.: (495) 783-3591; Моб.: (916) 809-5951
www.intertech-corp.ru
Литература
1. W.Oliver & G.Pharr; J. Mat. Res. (1992).
2. ISO 14577 – Metallic Materials – Instrumented Indentation Test for Hardness and Materials Parameters; Part I,II,III & IV.
Отзывы читателей
