Известия Саратовского университета. Новая серия.

Серия Математика. Механика. Информатика

ISSN 1816-9791 (Print)
ISSN 2541-9005 (Online)


Для цитирования:

Панфилов И. А., Айзикович С. М., Васильев А. С. Анализ упругих и упругопластических моделей при интерпретации результатов наноиндентирования // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Математика. Механика. Информатика. 2024. Т. 24, вып. 2. С. 245-253. DOI: 10.18500/1816-9791-2024-24-2-245-253, EDN: CUARKH

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Опубликована онлайн: 
31.05.2024
Полный текст:
(downloads: 176)
Язык публикации: 
русский
Рубрика: 
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
539.3
EDN: 
CUARKH

Анализ упругих и упругопластических моделей при интерпретации результатов наноиндентирования

Авторы: 
Панфилов Иван Александрович, Донской государственный технический университет
Айзикович Сергей Михайлович, Донской государственный технический университет
Васильев Андрей Сергеевич, Донской государственный технический университет
Аннотация: 

Одним из актуальных и широко распространенных в настоящее время методов неразрушающих испытаний для контроля и определения упругих свойств материалов является наноиндентирование. При этом для интерпретации результатов  испытаний возникает нетривиальная задача построения адекватной математической модели процесса индентирования. Как правило, во многих случаях  используются аналитические формулы, полученные при упругой линейной постановке задач о внедрении недеформируемого  штампа в  однородное упругое  полупространство. В  настоящее время численная постановка задачи  позволяет получить и использовать численное решение, полученное с учетом полного пластического нелинейного поведения материала. В данной работе проведено исследование контактных задач о внедрении сферического и конического инденторов в упругопластическое однородное полупространство. Для верификации численного решения также решена задача о внедрении сферического и конического инденторов в упругое однородное полупространство, проведено сравнение с известными аналитическими решениями. Исследуются вопросы сходимости и настройки численных методов, влияния пластичности и применимости аналитических решений. Численно задачи решаются методом конечных элементов в программном комплексе Ansys Mechanical.

Благодарности: 
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 22-19-00732).
Список источников: 
  1. Булычев С. И., Алехин В. П. Испытание материалов непрерывным вдавливанием индентора. Москва : Машиностроение, 1990. 224 с.
  2. Головин Ю. И. Наноиндентирование и его возможности. Москва : Машиностроение, 2009. 312 с.
  3. Field J. S., Swain M. V. A simple predictive model for spherical indentation // Journal of Materials Research. 1993. Vol. 8, iss. 2. P. 297–306. https://doi.org/10.1557/JMR.1993.0297
  4. Oliver W. C., Pharr G. M. An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments // Journal of Materials Research. 1992. Vol. 7, iss. 6. P. 1564–1583. https://doi.org/10.1557/JMR.1992.1564
  5. Hertz H. Ueber die Beruhrung fester elastischer Korper // Journal fur die reine und angewandte Mathematik. 1881. Bd. 92. S. 156–171. https://doi.org/10.1515/9783112342404-004
  6. Джонсон К. Л. Механика контактного взаимодействия. Москва : Мир, 1989. 510 с.
  7. Галин Л. А. Контактные задачи теории упругости. Москва : ГИТТЛ, 1953. 264 с.
  8. He L. H., Swain M. V. Nanoindentation derived stress-strain properties of dental materials // Dental Materials. 2007. Vol. 23, iss. 7. P. 814–821. https://doi.org/10.1016/j.dental.2006.06.017
  9. Потележко В. П., Филлипов А. П. Контактная задача для плиты, лежащей на упругом основании // Прикладная механика. 1967. Т. 3, вып. 1. С. 87–91.
  10. Ландау Л. Д., Лифшц Е. М. Теоретическая физика : в 10 т. Т. 7: Теория упругости : учеб. пособие. 4-е изд., исп. и доп. Москва : Наука, 1987. 248 с.
  11. Kral E. R., Komvopoulos K., Bogy D. B. Elastic-plastic finite element analysis of repeated indentation of a half-space by a rigid sphere // Journal of Applied Mechanics. 1993. Vol. 60, iss. 4. P. 829–841. https://doi.org/10.1115/1.2900991
  12. Механика контактных взаимодействий / под ред. И. И. Воровича, В. М. Александрова. Москва : Физматлит, 2001. 672 с.
  13. Dub S. N. Curves of elasto-plastic deformation of thin coatings obtained in depth-sensing indentation experiments // MRS Symposium Proceedings. 1998. Vol. 505. P. 223–228. https://doi.org/10.1557/PROC-505-223
  14. El-Sherbiney M. G. D., Halling J. The Hertzian contact of surfaces covered with metallic films // Wear. 1996. Vol. 40, iss. 3. P. 325–337. https://doi.org/10.1016/0043-1648(76)90124-1
  15. Pharr G. M., Oliver W. C. Measurement of thin film mechanical properties using nanoindentation // MRS Bulletin. 1992. Vol. 17. P. 28–33. https://doi.org/10.1557/S0883769400041634
  16. Айзикович С. М. Асимптотические решения контактных задач теории упругости для неоднородных по глубине сред // Прикладная математика и механика. 1982. Т. 46, вып. 1. С. 148–158.
  17. Васильев А. С., Волков С. С., Айзикович С. М. Приближенное аналитическое решение задачи о вдавливании проводящего штампа в электроупругое полупространство с неоднородным покрытием // Доклады Академии наук. 2018. Т. 478, № 1. С. 34–39. https://doi.org/10.7868/S0869565218010073, EDN: YNTRFR
  18. Волков С. С., Васильев А. С., Айзикович С. М., Селезнев Н. М., Леонтьева А. В. Напряженно-деформированное состояние упругого мягкого функционально-градиентного покрытия при внедрении сферического индентора // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2016. № 4. C. 20–34. https://doi.org/10.15593/perm.mech/2016.4.02, EDN: XSESAL
  19. Vasiliev A. S., Volkov S. S., Aizikovich S. M., Litvinenko A. N. Indentation of an elastic half-space reinforced with a functionally graded interlayer by a conical punch // Materials Physics and Mechanics. 2018. Vol. 40, iss. 2. P. 254–260. https://doi.org/10.18720/MPM.4022018_14, EDN: VPDWMG
  20. Vasiliev A. S., Volkov S. S., Aizikovich S. M. Indentation of an axisymmetric punch into an elastic transversely-isotropic half-space with functionally graded transversely-isotropic coating // Materials Physics and Mechanics. 2016. Vol. 28, iss. 1–2. P. 11–15. EDN: XCQJUT
  21. Sadyrin E., Vasiliev A., Volkov S. Mathematical modeling of experiment on Berkovich nanoindentation of ZrN coating on steel substrate // Acta Polytechnica CTU Proceedings. 2020. Vol. 27: Proceedings of the 14th International Conference on Local Mechanical Properties – LMP 2019. P. 18–21. https://doi.org/10.14311/APP.2020.27.0018
  22. Ovcharenko A., Halperin G., Verberne G., Etsion I. In situ investigation of the contact area in elastic-plastic spherical contact during loading-unloading // Tribology Letters. 2007. Vol. 25. P. 153–160. https://doi.org/10.1007/s11249-006-9164-y
Поступила в редакцию: 
30.11.2023
Принята к публикации: 
30.12.2023
Опубликована: 
31.05.2024