RU2611698C1 - Способ определения модуля упругости юнга материала микро- и наночастиц - Google Patents
Способ определения модуля упругости юнга материала микро- и наночастиц Download PDFInfo
- Publication number
- RU2611698C1 RU2611698C1 RU2015152432A RU2015152432A RU2611698C1 RU 2611698 C1 RU2611698 C1 RU 2611698C1 RU 2015152432 A RU2015152432 A RU 2015152432A RU 2015152432 A RU2015152432 A RU 2015152432A RU 2611698 C1 RU2611698 C1 RU 2611698C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- modulus
- elasticity
- indentation
- experimental
- oliver
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y35/00—Methods or apparatus for measurement or analysis of nanostructures
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N3/40—Investigating hardness or rebound hardness
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
Abstract
Изобретение относится к способам определения механических свойств материалов путем вдавливания индентора в поверхность образца с заданной нагрузкой, а именно к способам определения статического модуля упругости Юнга (ниже модуль упругости). Сущность: совместно используют экспериментальное вдавливание индентора и компьютерное моделирование вдавливания индентора методом конечных элементов, определяют модуль упругости частицы, соответствующей нулевой разнице расчетной и экспериментальной глубин проникновения индентора, определяют модуль упругости этой же частицы по методике Оливера-Фарра. Сравнивают значение модуля упругости, полученное расчетом по методике Оливера-Фарра со значением, полученным из этапа численных исследований, определяют среднее арифметическое значение модуля упругости исследуемой частицы. Технический результат: возможность определения модуля упругости материала микро- и наночастиц произвольной формы. 2 ил.
Description
Изобретение относится к способам определения механических свойств материалов, путем вдавливания индентора в поверхность образца с заданной нагрузкой, а именно к способам определения статического модуля упругости Юнга (ниже модуль упругости).
Известен способ определения модуля упругости [Oliver W., Pharr G. An Improved Technique for Detemining Hardness and Elastic Modulus Using Load and Displacement Sensing Indentation Experiments // J. Mater. Res. 1992. №7(6). P. 1564-1583], основанный на непрерывной регистрации параметров процесса вдавливания жесткого наконечника правильной формы (пирамидального индентора), глубины его погружения в материал и скорости нагружения (методика Оливера - Фарра). Определяют податливость контакта по касательной кривой разгрузки в точке приложения максимальной силы и площадь контакта индентора с образцом. Рассчитывают приведенный модуль упругости, после чего определяют модуль упругости исследуемого образца материала, исходя из известных значений модуля упругости и коэффициента Пуассона алмазного индентора.
Недостатками указанного способа определения модуля упругости являются: индентор должен вдавливаться только в ровную, не наклонную поверхность; очень высокие, почти недостижимые требования к шероховатости поверхности при малых глубинах проникновения индентора в поверхность.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению, принятому за прототип [Способ определения модуля упругости Юнга материала микро- и наночастиц, пат. 2494038 Рос. Федерация, Вахрушев А.В., Шушков А.А. Зыков C.H., заявитель и патентообладатель Ижевск, ин-т механики. - №2012110560/28; заявл. 20.03.2012; опубл. 27.09.2013, Бюл. №27. 6 с.: ил. 4], является способ, основанный на комбинированном использовании натурного эксперимента и численного компьютерного исследования методом конечных элементов. Способ определения модуля упругости состоит из двух этапов (этапа стендовых испытаний, этапа численных исследований и анализа их результатов). На этапе стендовых испытаний происходит: сканирование и оцифровка поверхности частицы; взаимное позиционирование частицы и индентора; экспериментальное вдавливание наконечника индентора в частицу с определением глубины вдавливания. На этапе численных исследований и анализа их результатов происходит: генерация электронной геометрической модели частицы и поверхности наконечника индентора; формирование конечно-элементной модели контактной задачи вдавливания индентора; серия численных экспериментов методом конечных элементов по расчету глубины вдавливания при варьировании модуля упругости и известных значениях формы и упругих констант индентора, силы вдавливания, геометрии поверхности, коэффициента поперечной деформации материала частицы; строится экспериментальная кривая зависимости величины модуля упругости и величины отклонения глубины деформации конечно-элементной модели частицы от экспериментальной величины глубины внедрения индентора; путем интерполяционных процедур вычисляется значение модуля упругости, соответствующее нулевому отклонению экспериментальной и расчетной глубины деформации частицы.
Недостатком указанного способа определения модуля упругости является: несогласованность с экспериментальной методикой Оливера - Фарра.
Задача изобретения - устранение указанных недостатков, а именно разработка способа определения модуля упругости материала микро- и наночастиц произвольной формы, основанного на согласовании экспериментальных методик определения модуля упругости и на комбинированном использовании натурного эксперимента и численного компьютерного исследования методом конечных элементов.
Задача решается тем, что в известном способе, принятом за прототип, определяют модуль упругости материала микро- и наночастицы, определяют модуль упругости способом индентирования по методике Оливера - Фарра этой же частицы, определяют среднее значение модулей упругости, полученных двумя способами.
Решение данной задачи разбивается на три этапа: этап экспериментальных исследований с определением модуля упругости по методике Оливера-Фарра; этап численных исследований в соответствии с полученными экспериментальными данными и анализа их результатов; этап вычисления модуля упругости на основе сравнения значений, полученных на основе экспериментального и численного способов определения модуля упругости.
Этап экспериментальных исследований состоит в следующем: аналогично, как и в решении, принятом за прототип, в этапе стендовых испытаний осуществляется индентирование в частицу с силой, воздействие которой заведомо не приводит к превышению порога перехода упругой деформации в пластическую деформацию, фиксируются соответствующие значения нагрузки F и глубины вдавливания наконечника индентора в частицу hэксп. Определяют модуль упругости по методике Оливера-Фарра EМОФ.
Этап численных исследований и анализа их результатов заключается в следующем: аналогично, как и в соответствующем этапе решения, принятого за прототип, методом конечных элементов (МКЭ) проводится численное решение контактной задачи вдавливания наконечника индентора в частицу с определением глубины вдавливания hМКЭ; строится кривая зависимости Ε(Δh), где Δh=hМКЭ-hэксп; на основании полученной зависимости Ε(Δh) с помощью аппроксимации при Δh=0 находим значение модуля упругости FМКЭ.
Этап вычисления модуля упругости основан на сравнении значения модуля упругости, полученного экспериментальным методом индентирования, с использованием методики Оливера-Фарра ЕМОФ со значением, полученным из этапа численных исследований методом конечных элементов ЕМКЭ, при одинаковом значении нагрузки F. Определяется среднее арифметическое значение модуля упругости исследуемой частицы Ечастицы=(ЕМОФ+ЕМКЭ)/2.
Таким образом, определяем модуль упругости образца материала микро- и наночастиц.
На фиг. 1 представлена электронная конечно-элементная модель (2) исследуемой поверхности с микро- и наночастицами, созданная на основе результатов процедур сканирования системой NanoTest 600 (1), участок 25 на 25 мкм, до проведения испытания индентированием в исследуемую точку силой F.
На фиг. 2 представлена зависимость Ε(Δh), для нагрузки индентирования 1 мН. Модуль упругости частицы ЕМКЭ определяют при Δh=0.
Заявленный в качестве изобретения способ реализовывался с использованием комплексной системы измерения физико-механических характеристик Nanotest 600 [http://www.micromaterials.co.uk] следующим образом: аналогично, как и в решении, принятом за прототип, определен модуль упругости частицы ЕМКЭ=5.1*1010 Па, при нагрузке индентирования F=1 мН. Отличием от решения принятого за прототип является то, что определяют модуль упругости частицы по методике Оливера-Фарра ЕМОФ=5.4*1010 Па, при значении нагрузки F=1 мН; вычисляют модуль упругости исследуемой частицы по формуле:
Благодаря предложенному способу стало возможным определять модуль упругости материала микро- и наночастиц любой геометрической формы.
Claims (1)
- Способ определения модуля упругости Юнга материала микро- и наночастиц путем совместного использования экспериментального вдавливания индентора и компьютерного моделирования вдавливания индентора методом конечных элементов, определения модуля упругости частицы, соответствующей нулевой разнице расчетной и экспериментальной глубин проникновения индентора, определения модуля упругости этой же частицы по методике Оливера-Фарра, отличающийся тем, что сравнивают значение модуля упругости, полученное расчетом по методике Оливера-Фарра со значением, полученным из этапа численных исследований, определяют среднее арифметическое значение исследуемой частицы.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015152432A RU2611698C1 (ru) | 2015-12-07 | 2015-12-07 | Способ определения модуля упругости юнга материала микро- и наночастиц |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015152432A RU2611698C1 (ru) | 2015-12-07 | 2015-12-07 | Способ определения модуля упругости юнга материала микро- и наночастиц |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2611698C1 true RU2611698C1 (ru) | 2017-02-28 |
Family
ID=58459437
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015152432A RU2611698C1 (ru) | 2015-12-07 | 2015-12-07 | Способ определения модуля упругости юнга материала микро- и наночастиц |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2611698C1 (ru) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2292029C1 (ru) * | 2005-05-06 | 2007-01-20 | Институт прикладной механики УрО РАН | Способ определения модуля упругости юнга материалов |
RU2296972C1 (ru) * | 2005-07-29 | 2007-04-10 | Институт прикладной механики УрО РАН | Способ определения модуля упругости юнга материалов |
US8214162B2 (en) * | 2007-02-06 | 2012-07-03 | Frontics, Inc. | Estimation of non-equibiaxial stress using instrumented indentation technique |
RU2494038C1 (ru) * | 2012-03-20 | 2013-09-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт механики Уральского отделения Российской академии наук | Способ определения модуля упругости юнга материала микро- и наночастиц |
-
2015
- 2015-12-07 RU RU2015152432A patent/RU2611698C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2292029C1 (ru) * | 2005-05-06 | 2007-01-20 | Институт прикладной механики УрО РАН | Способ определения модуля упругости юнга материалов |
RU2296972C1 (ru) * | 2005-07-29 | 2007-04-10 | Институт прикладной механики УрО РАН | Способ определения модуля упругости юнга материалов |
US8214162B2 (en) * | 2007-02-06 | 2012-07-03 | Frontics, Inc. | Estimation of non-equibiaxial stress using instrumented indentation technique |
RU2494038C1 (ru) * | 2012-03-20 | 2013-09-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт механики Уральского отделения Российской академии наук | Способ определения модуля упругости юнга материала микро- и наночастиц |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Chen et al. | Theoretical model for predicting uniaxial stress-strain relation by dual conical indentation based on equivalent energy principle | |
Leroch et al. | Smooth particle hydrodynamics simulation of damage induced by a spherical indenter scratching a viscoplastic material | |
Hossaini et al. | The influence of asperity deformability on the mechanical behavior of rock joints | |
Ni et al. | An energy-based method for analyzing instrumented spherical indentation experiments | |
CN108414379B (zh) | 一种原位压入测试提取金属弹塑性参数的方法 | |
Olsson et al. | A unified model for the contact behaviour between equal and dissimilar elastic–plastic spherical bodies | |
Le Saux et al. | Identification of constitutive model for rubber elasticity from micro-indentation tests on natural rubber and validation by macroscopic tests | |
Yong et al. | Plastic characterization of metals by combining nanoindentation test and finite element simulation | |
Zhuk et al. | Finite element simulation of microindentation | |
Nnodim et al. | Design, simulation, and experimental testing of a tactile sensor for fruit ripeness detection | |
RU2611698C1 (ru) | Способ определения модуля упругости юнга материала микро- и наночастиц | |
Brinckmann et al. | Nanotribology in austenite: normal force dependence | |
Liu et al. | Material characterization based on instrumented and simulated indentation tests | |
Peng et al. | Characterization of the viscoelastic-plastic properties of UPVC by instrumented sharp indentation | |
RU2494038C1 (ru) | Способ определения модуля упругости юнга материала микро- и наночастиц | |
Jung-Min et al. | Effects of elastic-plastic properties of materials on residual indentation impressions in nano-indentation using sharp indenter | |
RU2292029C1 (ru) | Способ определения модуля упругости юнга материалов | |
Kushch et al. | The assessment of elasto-plastic properties of materials from nanoindentation and computer modeling. 1. State-of-the-art of the problem (Review of the literature) | |
Eremina et al. | Identification of nanosized defects using tribospectroscopy. Modeling by movable cellular automaton method | |
Deuschle et al. | Contact area determination in indentation testing of elastomers | |
Dong et al. | Measuring plastic yield stress of magnetron sputtered aluminum thin film by nanoindentation | |
Ogar et al. | Energy concept of hardness by the kinetic sphere indentation | |
Aminallah et al. | Exploitation of Nanoindentation and Statistical Tools to Investigate the Behavior of Materials | |
Alcalá et al. | The role of crystalline anisotropy in mechanical property extractions through Berkovich indentation | |
Zheng et al. | Evaluation the effect of aspect ratio for Young’s modulus of nanobelt using finite element method |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20181208 |