eng
Выпуск #6/2015
А.Усеинов, К.Кравчук, И.Маслеников, В.Решет
Исследование механических свойств структурных элементов покрытия мяча для гольфа
Исследование механических свойств структурных элементов покрытия мяча для гольфа
Просмотры: 5114
Методом инструментального индентирования исследованы механические свойства структурных элементов, формирующих приповерхностный объем мяча для гольфа. Определены зависимости механических свойств от глубины, а также морфология и параметры шероховатости поверхности.
DOI:10.22184/1993-8578.2015.60.6.34.41
DOI:10.22184/1993-8578.2015.60.6.34.41
Теги: hardness instrumental indentation mechanical properties nanohardness tester инструментальное индентирование механические свойства нанотвердомер твердость
Одним из активных потребителей высоких технологий и новых материалов является спортивная индустрия. Оригинальные технические решения и уникальные свойства используемых изделий существенно влияют на уровень спортивных достижений и помогают добиваться все более высоких результатов как профессиональным атлетам, так и любителям.
В частности, современные мячи для гольфа представляют собой сложные многокомпонентные изделия и являются хорошим примером наукоемкой продукции [1]. Свойства мяча должны обеспечить максимальную дальность и устойчивость траектории полета, а также контролируемое поведение при коротких ударах. В центре мяча обычно находится плотное тяжелое ядро из резиноподобного полимера [2], которое обеспечивает накопление потенциальной энергии при ударе мяча клюшкой и превращение ее в кинетическую, необходимую для полета мяча на дальние расстояния. Полимерное ядро заключено в жесткую пластиковую оболочку, уменьшающую прыгучесть мяча и делающую его более жестким. Для контроля удара и устойчивости в полете поверхность мяча имеет специальную форму и состоит из нескольких слоев пластика (обычно полиуретана), покрытых специальной устойчивой к царапинам краской [3]. Таким образом, приповерхностный объем мяча, непосредственно контактирующий с клюшкой, представляет собой многослойную структуру со сложными вязкоупругими свойствами.
При проектировании геометрии новых мячей с целью оптимизации их упругих и аэродинамических свойств огромный интерес представляет измерение характеристик отдельных слоев используемых материалов. При этом, поскольку все компоненты должны находиться в отличном адгезионном контакте, исключающем расслаивание мяча, механические свойства составных частей мяча в объемном виде могут отличаться от свойств исходных материалов.
Для исследования механических свойств структурных элементов, формирующих приповерхностный объем мяча для гольфа, целесообразно использовать метод инструментального индентирования.
Описание образцов
При проведении измерений использовались два образца:
образец А – отполированный поперечный срез мяча для гольфа (рис.1а);
образец Б – целый мяч без какой-либо подготовки.
Как показано на рис.1b, внешняя оболочка мяча состоит из пластиковой скорлупы, толстого полиуретанового покрытия и двух тонких слоев краски. Основной целью данной работы являлось изучение свойств внешних покрытий: слоя полиуретана и двух тонких слоев краски, попутно были изучены и механические свойства скорлупы и ядра.
Разработчикам мячей наиболее интересны данные о твердости по Мартенсу и форма зависимости глубины внедрения идентора от нагрузки, получаемой при испытании методом инструментального индентирования. Эти параметры влияют на эффективность передачи энергии при ударе мяча клюшкой и на его долговечность.
Приборы и методы исследований
Механические свойства многослойного мяча для гольфа исследовались с использованием нанотвердомера "НаноСкан-4D" (ФГБНУ ТИСНУМ) [4–8]. Общий вид прибора представлен на рис.2. В число методов измерения, реализованных в данном приборе, входят испытания методом склерометрии, измерение твердости и модуля упругости методом инструментального индентирования, а также ряд методов атомно-силовой микроскопии (АСМ). Индентирующая головка прибора позволяет прикладывать нагрузки в диапазоне от единиц микроньютонов до нескольких ньютонов, а также измерять смещения в диапазоне от долей нанометров до миллиметра.
Измерения механических свойств и топографии рельефа поверхности были проведены на этом же приборе путем перемещения образца из одного рабочего положения в другое с помощью моторизированных столиков.
Твердость и модуль упругости определялись методом инструментального индентирования в соответствии с ГОСТ Р 8.748-2011 (отечественный аналог международного стандарта ISO 14577-1:2002). Наконечник представлял собой индентор Берковича – алмазную трехгранную пирамиду.
Методами АСМ измерялись топография рельефа поверхности и параметры шероховатости.
Построение карты твердости
Рельеф поверхности (рис.3) в области испытания был исследован, прежде всего, для определения ее средней шероховатости. Режим испытания индентированием подбирался исходя из неровности исследуемой поверхности. Установлено, что толщина каждого слоя краски варьируется в пределах 14–18 мкм.
Профиль твердости и модуля упругости среза мяча был построен на базе 3 мм (рис.4). Измерение профиля начинается в области ядра (координата 0) и завершается внутри слоя полиуретана (пунктирная линия на рис.1а). Часть профиля между 1300 и 2400 мкм соответствует внутреннему слою.
Были выбраны следующие параметры индентирования:
время нагружения – 10 с;
максимальная нагрузка – 5 мН;
выдержка при максимальной нагрузке –5 с.
В данных условиях глубина индентирования составляла от 2 до 8 мкм в зависимости от области испытания.
Из профилей твердости видно, что слой скорлупы имеет самые большие твердость и модуль упругости. Ядро имеет такую же твердость, что и слой полиуретана, но меньший модуль упругости. На рис.5 показаны типичные кривые нагружения/разгрузки, полученные при испытании методом инструментального индентирования. По экспериментальной кривой для области ядра (зеленая кривая) видно, что деформация имеет преимущественно упругий характер в отличие от внешних слоев, характеризующихся значительной долей пластической деформации.
В отдельном эксперименте профили были доведены до слоев краски, однако полученные данные не показали существенного изменения свойств в области покраски, что согласуется с представленными ниже результатами многоциклового индентирования поверхности мяча в радиальном направлении.
Многоцикловое инструментальное индентирование с частичной разгрузкой на поверхности образца Б (рис.6) было проведено при следующих параметрах:
время каждого участка нагружения и разгружения – 2 с;
максимальная нагрузка – 750 мН;
выдержка при максимальной нагрузке – 5 с;
количество циклов в рамках одного измерения – 25;
максимальная глубина проникновения индентора – 75 мкм.
Оказалось, что материал на поверхности мяча обладает значительной текучестью, так как при нагружении и разгружении глубина внедрения изменяется с запаздыванием. Твердость линейно увеличивается до глубины, равной толщине двух слоев краски, а при ее превышении значение твердости снижается, но не значительно, так как сказывается влияние верхних слоев (рис.7).
Заключение
Механические свойства разных областей приповерхностного объема мяча для гольфа были исследованы методами инструментального индентирования с помощью нанотвердомера "НаноСкан-4D". Комбинация данного метода с функцией прецизионного позиционирования позволила определить зависимости механических свойств от глубины и по длине профиля. Морфология и параметры шероховатости поверхности были исследованы методами АСМ. Результаты исследования приведены в таблице.
Зависимость твердости от глубины была исследована на поверхности образца Б (целого мяча) методом многоциклового инструментального индентирования, и полученные результаты согласуются с данными, зафиксированными на образце А (разрезанный мяч).
Результаты экспериментов в целом соответствуют информации разработчика мячей о свойствах используемых материалов. Наиболее значимыми оказались данные о вязкоупругих свойствах лакокрасочного покрытия, используемого для придания мячам товарного вида и лимитирующего число ударов, которые мяч выдерживает без потери рабочих характеристик.
Литература
William E., Kevin M., Michael J. Multi-layer golf ball // US 6692379 B2. 2004.
Mikio Yamada, Yoshikazu Yabuki S.E. Rubber composition for golf balls // US 5585440 A. 1996.
Kieran F. Andre C.W.V. Scratch resistant coating compositions for golf equipment // US 7115050 B2. 2006.
Усеинов А., Кравчук К., Маслеников И., Решетов В., Фомкина М. Исследование прочности микрообъектов с помощью сканирующего нанотвердомера "НаноСкан" // Наноиндустрия. 2015. № 4. С. 54–60.
Маслеников И., Решетов В., Усеинов А. Построение карт модуля упругости поверхности сканирующим зондовым микроскопом "НаноСкан 3D" // Приборы и техника эксперимента. 2015. № 5. С. 136–142.
Усеинов А., Кравчук К., Маслеников И., Получение томограммы механических свойств методами наноиндентирования // Наноиндустрия. 2014. № 1. С. 34–38.
Кравчук К., Торская Е., Усеинов А.,
Фролов Н. Экспериментально-теоретическое исследование причин скалывания покрытий на основе многокомпонентных оксидов при фрикционном нагружении // Известия РАН. Механика твердого тела. 2015. № 1. С. 64–74.
Useinov A., Useinov S. Scratch hardness evaluation with in-situ pile-up effect estimation // Philosophical Magazine. Vol. 92. issue 25–27. 2012. Р. 3188–3198.
В частности, современные мячи для гольфа представляют собой сложные многокомпонентные изделия и являются хорошим примером наукоемкой продукции [1]. Свойства мяча должны обеспечить максимальную дальность и устойчивость траектории полета, а также контролируемое поведение при коротких ударах. В центре мяча обычно находится плотное тяжелое ядро из резиноподобного полимера [2], которое обеспечивает накопление потенциальной энергии при ударе мяча клюшкой и превращение ее в кинетическую, необходимую для полета мяча на дальние расстояния. Полимерное ядро заключено в жесткую пластиковую оболочку, уменьшающую прыгучесть мяча и делающую его более жестким. Для контроля удара и устойчивости в полете поверхность мяча имеет специальную форму и состоит из нескольких слоев пластика (обычно полиуретана), покрытых специальной устойчивой к царапинам краской [3]. Таким образом, приповерхностный объем мяча, непосредственно контактирующий с клюшкой, представляет собой многослойную структуру со сложными вязкоупругими свойствами.
При проектировании геометрии новых мячей с целью оптимизации их упругих и аэродинамических свойств огромный интерес представляет измерение характеристик отдельных слоев используемых материалов. При этом, поскольку все компоненты должны находиться в отличном адгезионном контакте, исключающем расслаивание мяча, механические свойства составных частей мяча в объемном виде могут отличаться от свойств исходных материалов.
Для исследования механических свойств структурных элементов, формирующих приповерхностный объем мяча для гольфа, целесообразно использовать метод инструментального индентирования.
Описание образцов
При проведении измерений использовались два образца:
образец А – отполированный поперечный срез мяча для гольфа (рис.1а);
образец Б – целый мяч без какой-либо подготовки.
Как показано на рис.1b, внешняя оболочка мяча состоит из пластиковой скорлупы, толстого полиуретанового покрытия и двух тонких слоев краски. Основной целью данной работы являлось изучение свойств внешних покрытий: слоя полиуретана и двух тонких слоев краски, попутно были изучены и механические свойства скорлупы и ядра.
Разработчикам мячей наиболее интересны данные о твердости по Мартенсу и форма зависимости глубины внедрения идентора от нагрузки, получаемой при испытании методом инструментального индентирования. Эти параметры влияют на эффективность передачи энергии при ударе мяча клюшкой и на его долговечность.
Приборы и методы исследований
Механические свойства многослойного мяча для гольфа исследовались с использованием нанотвердомера "НаноСкан-4D" (ФГБНУ ТИСНУМ) [4–8]. Общий вид прибора представлен на рис.2. В число методов измерения, реализованных в данном приборе, входят испытания методом склерометрии, измерение твердости и модуля упругости методом инструментального индентирования, а также ряд методов атомно-силовой микроскопии (АСМ). Индентирующая головка прибора позволяет прикладывать нагрузки в диапазоне от единиц микроньютонов до нескольких ньютонов, а также измерять смещения в диапазоне от долей нанометров до миллиметра.
Измерения механических свойств и топографии рельефа поверхности были проведены на этом же приборе путем перемещения образца из одного рабочего положения в другое с помощью моторизированных столиков.
Твердость и модуль упругости определялись методом инструментального индентирования в соответствии с ГОСТ Р 8.748-2011 (отечественный аналог международного стандарта ISO 14577-1:2002). Наконечник представлял собой индентор Берковича – алмазную трехгранную пирамиду.
Методами АСМ измерялись топография рельефа поверхности и параметры шероховатости.
Построение карты твердости
Рельеф поверхности (рис.3) в области испытания был исследован, прежде всего, для определения ее средней шероховатости. Режим испытания индентированием подбирался исходя из неровности исследуемой поверхности. Установлено, что толщина каждого слоя краски варьируется в пределах 14–18 мкм.
Профиль твердости и модуля упругости среза мяча был построен на базе 3 мм (рис.4). Измерение профиля начинается в области ядра (координата 0) и завершается внутри слоя полиуретана (пунктирная линия на рис.1а). Часть профиля между 1300 и 2400 мкм соответствует внутреннему слою.
Были выбраны следующие параметры индентирования:
время нагружения – 10 с;
максимальная нагрузка – 5 мН;
выдержка при максимальной нагрузке –5 с.
В данных условиях глубина индентирования составляла от 2 до 8 мкм в зависимости от области испытания.
Из профилей твердости видно, что слой скорлупы имеет самые большие твердость и модуль упругости. Ядро имеет такую же твердость, что и слой полиуретана, но меньший модуль упругости. На рис.5 показаны типичные кривые нагружения/разгрузки, полученные при испытании методом инструментального индентирования. По экспериментальной кривой для области ядра (зеленая кривая) видно, что деформация имеет преимущественно упругий характер в отличие от внешних слоев, характеризующихся значительной долей пластической деформации.
В отдельном эксперименте профили были доведены до слоев краски, однако полученные данные не показали существенного изменения свойств в области покраски, что согласуется с представленными ниже результатами многоциклового индентирования поверхности мяча в радиальном направлении.
Многоцикловое инструментальное индентирование с частичной разгрузкой на поверхности образца Б (рис.6) было проведено при следующих параметрах:
время каждого участка нагружения и разгружения – 2 с;
максимальная нагрузка – 750 мН;
выдержка при максимальной нагрузке – 5 с;
количество циклов в рамках одного измерения – 25;
максимальная глубина проникновения индентора – 75 мкм.
Оказалось, что материал на поверхности мяча обладает значительной текучестью, так как при нагружении и разгружении глубина внедрения изменяется с запаздыванием. Твердость линейно увеличивается до глубины, равной толщине двух слоев краски, а при ее превышении значение твердости снижается, но не значительно, так как сказывается влияние верхних слоев (рис.7).
Заключение
Механические свойства разных областей приповерхностного объема мяча для гольфа были исследованы методами инструментального индентирования с помощью нанотвердомера "НаноСкан-4D". Комбинация данного метода с функцией прецизионного позиционирования позволила определить зависимости механических свойств от глубины и по длине профиля. Морфология и параметры шероховатости поверхности были исследованы методами АСМ. Результаты исследования приведены в таблице.
Зависимость твердости от глубины была исследована на поверхности образца Б (целого мяча) методом многоциклового инструментального индентирования, и полученные результаты согласуются с данными, зафиксированными на образце А (разрезанный мяч).
Результаты экспериментов в целом соответствуют информации разработчика мячей о свойствах используемых материалов. Наиболее значимыми оказались данные о вязкоупругих свойствах лакокрасочного покрытия, используемого для придания мячам товарного вида и лимитирующего число ударов, которые мяч выдерживает без потери рабочих характеристик.
Литература
William E., Kevin M., Michael J. Multi-layer golf ball // US 6692379 B2. 2004.
Mikio Yamada, Yoshikazu Yabuki S.E. Rubber composition for golf balls // US 5585440 A. 1996.
Kieran F. Andre C.W.V. Scratch resistant coating compositions for golf equipment // US 7115050 B2. 2006.
Усеинов А., Кравчук К., Маслеников И., Решетов В., Фомкина М. Исследование прочности микрообъектов с помощью сканирующего нанотвердомера "НаноСкан" // Наноиндустрия. 2015. № 4. С. 54–60.
Маслеников И., Решетов В., Усеинов А. Построение карт модуля упругости поверхности сканирующим зондовым микроскопом "НаноСкан 3D" // Приборы и техника эксперимента. 2015. № 5. С. 136–142.
Усеинов А., Кравчук К., Маслеников И., Получение томограммы механических свойств методами наноиндентирования // Наноиндустрия. 2014. № 1. С. 34–38.
Кравчук К., Торская Е., Усеинов А.,
Фролов Н. Экспериментально-теоретическое исследование причин скалывания покрытий на основе многокомпонентных оксидов при фрикционном нагружении // Известия РАН. Механика твердого тела. 2015. № 1. С. 64–74.
Useinov A., Useinov S. Scratch hardness evaluation with in-situ pile-up effect estimation // Philosophical Magazine. Vol. 92. issue 25–27. 2012. Р. 3188–3198.
Отзывы читателей
