Экспериментальное исследование механических свойств материалов конструкционного назначения методом наноиндентирования

Выбраны материалы для проведения сравнительных экспериментов методом наноиндентирования. Эти материалы, широко применяемые в аэрокосмической отрасли, представляют интерес с точки зрения экспериментальной оценки механических свойств различными методами с целью дальнейшего моделирования и прогнозирования свойств изделий из материалов такого класса. Исследованы следующие материалы: сталь 12Х18Н10Т, углерод-углеродный композиционный материал со стержневым каркасом и пироуглеродной матрицей, со срезом в направлении оси z (УУКМ-С) и углерод-углеродный композиционный материал с иглопробивным каркасом и пироуглеродной матрицей, со срезом в направлении пробития по оси z (УУКМ-И). Также исследованы элементы структуры композитных материалов (стержень и матрица). Установлено, что степень шероховатости поверхности существенно влияет на свойства материалов, испытанных методом наноиндентирования. Увеличение максимальной нагрузки до 200 мН и выбор сфероконического индентора позволяют существенно снизить влияние шероховатости поверхности на механические свойства образцов стали и углерод-углеродных композитов. Для всех образцов композиционных материалов получены кривые ползучести при наноиндентировании cо ступеньками, указывающими на начало процессов разрушения/трещинообразования. Однако эта особенность оказалась нехарактерной для стержня УУКМ-С при малой нагрузке (50 мН) и для образца УУКМ-И: для них получены типичные кривые ползучести.
EDN: ARXTRL, https://elibrary/arxtrl

Литература

[1] Fischer-Cripps A.C. Nanoindentation test standards. In: Nanoindentation. Springer, 2011, pp. 181–198, doi: https://doi.org/10.1007/978-1-4419-9872-9_10

[2] Головин Ю.И. Наноиндентирование и его возможности. Москва, Машиностроение, 2009. 311 с.

[3] Godzinski P. An apparatus for the indentation data continuous recording. Plastics, 1953, vol. 18, pp. 312–314.

[4] Терновский А.П., Алехин В.Л., Шоршоров M.X. и др. О микромеханических испытаниях материалов путем вдавливания. Заводская лаборатория, 1973, т. 39, № 10, с. 1242–1246.

[5] Булычев С.И., Алехин В.П., Шоршоров М.Х. и др. Определение модуля Юнга по диаграмме погружения индентора. Заводская лаборатория, 1975, т. 41, с. 1137–1140.

[6] Булычев С.И., Алехин В.П. Испытание материалов непрерывным вдавливанием индентора. Москва, Машиностроение, 1990. 223 с.

[7] Вахрушев А.В., Шушков А.В., Шушков А.А. Экспериментальное исследование модуля упругости юнга и твердости микрочастиц железа методом индентирования. Химическая физика и мезоскопия, 2009, т. 11, № 2, с. 258–262.

[8] Рудницкий В.А., Крень А.П., Ланцман Г.А. Оценка пластичности металлических материалов методом динамического индентирования. Литье и металлургия, 2017, № 2, с. 81–87, doi: https://doi.org/10.21122/1683-6065-2017-2-81-87

[9] Крень А.П., Мацулевич О.В., Делендик М.Н. Оценка погрешности определения физико-механических характеристик материалов при их контроле методом индентирования. Приборы и методы измерений, 2018, т. 9, № 3, с. 263–271, doi: https://doi.org/10.21122/2220-9506-2018-9-3-263-271

[10] Сказочкин А.В., Бондаренко Г.Г., Жуковский П. Исследование износостойкости поверхности алюминиевого сплава, модифицированного минералами, методом склерометрии. Приборы и методы измерений, 2019, т. 10, № 3, с. 263–270, doi: https://doi.org/10.21122/2220-9506-2019-10-3-263-270

[11] Liu K., Ostadhassan M., Bubach B. Applications of nano-indentation methods to estimate nanoscale mechanical properties of shale reservoir rocks. J. Nat. Gas Sci. Eng., 2016, vol. 35-A, pp. 1310–1319, doi: https://doi.org/10.1016/j.jngse.2016.09.068

[12] Kontomaris S.V. The Hertz model in AFM nanoindentation experiments: applications in biological samples and biomaterials. Micro Nanosyst., 2018, vol. 10, no. 1, pp. 11–22, doi: https://doi.org/10.2174/1876402910666180426114700

[13] Van Helvert S., Friedl P. Strain stiffening of fibrillar collagen during individual and collective cell migration identified by AFM nanoindentation. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016, vol. 8, no. 34, pp. 21946–21955, doi: https://doi.org/10.1021/acsami.6b01755

[14] Long X., Dong R., Su Y. et al. Critical review of nanoindentation-based numerical methods for evaluating elastoplastic material properties. Coatings, 2023, vol. 13, no. 8, art. 1334, doi: https://doi.org/10.3390/coatings13081334

[15] Aniskevich K., Starkova O., Jansons J. et al. Long-term deformability and aging of polymer matrix composites. Nova Science, 2012. 190 p.

[16] Анискевич К., Старкова О. Оценка вязкопластической деформации ПЭВП, наполненного многостенными углеродными нанотрубками, с использованием соотношения скоростей реакции. Механика композитных материалов, 2021, т. 57, № 5, с. 823–838, doi: https://doi.org/10.22364/mkm.57.5.02

[17] Gan M., Tomar V. Scale and temperature dependent creep modeling and experiments in materials. JOM, 2011, vol. 63, no. 9, pp. 27–34, doi: https://doi.org/10.1007/s11837-011-0154-7

[18] Liu K., Ostadhassan M., Bubach B. et al. Nano-dynamic mechanical analysis (nano-DMA) of creep behavior of shales: Bakken case study. J. Mater. Sci., 2018, vol. 53, no. 7, pp. 4417–4432, doi: https://doi.org/10.1007/s10853-017-1821-z

[19] Ma Z., Pathegama Gamage R., Zhang C. Application of nanoindentation technology in rocks: a review. Geomech. Geophys. Geo-energ. Geo-resour., 2020, vol. 6, art. 60, doi: https://doi.org/10.1007/s40948-020-00178-6

[20] Maxwell A.S., Monclus M.A., Jennett N.M. et al. Accelerated testing of creep in polymeric materials using nanoindentation. Polym. Test., 2011, vol. 30, no. 4, pp. 366–371, doi: https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2011.02.002

[21] Peng G., Ma Y., Feng Y. et al. Nanoindentation creep of nonlinear viscoelastic polypropylene. Polym. Test., 2015, vol. 43, pp. 38–43, doi: https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2015.02.006