RU2699945C1 - Method of determining viscosity of micro destruction of thin amorphous-nanocrystalline films - Google Patents

Method of determining viscosity of micro destruction of thin amorphous-nanocrystalline films Download PDF

Info

Publication number
RU2699945C1
RU2699945C1 RU2018145595A RU2018145595A RU2699945C1 RU 2699945 C1 RU2699945 C1 RU 2699945C1 RU 2018145595 A RU2018145595 A RU 2018145595A RU 2018145595 A RU2018145595 A RU 2018145595A RU 2699945 C1 RU2699945 C1 RU 2699945C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
sample
tests
test
indentation
amorphous
Prior art date
Application number
RU2018145595A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Иван Владимирович Ушаков
Юрий Владимирович Симонов
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Priority to RU2018145595A priority Critical patent/RU2699945C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2699945C1 publication Critical patent/RU2699945C1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y35/00Methods or apparatus for measurement or analysis of nanostructures
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/40Investigating hardness or rebound hardness
    • G01N3/42Investigating hardness or rebound hardness by performing impressions under a steady load by indentors, e.g. sphere, pyramid

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)

Abstract

FIELD: test technology.
SUBSTANCE: invention relates to investigation and analysis of plastic properties of thin tapes of amorphous multicomponent metal alloys after their transition from amorphous to amorphous-nanocrystalline state as a result of heat treatment. A preliminary first series of tests of one sample with different load is performed, on the basis of which the optimum indenter indentation force is determined in the sample, at which the probability of occurrence of the characteristic micro destruction pattern is maximum. Preliminary second series of tests is carried out with optimum value of load on another sample to determine minimum allowable distance of tests between points of indentation and edge of analyzed sample, at which characteristic pattern of micro destruction is manifested. A series of basic samples of a thin amorphous metal strip is made, an amorphous-nanocrystalline structure is formed in them by controlled heat treatment, placing on substrates from metal and polymer composite material, investigating viscosity of micro destruction by inducing indenter sample in form of Vickers pyramid with load, speed and time of action on sample, which enable to provoke occurrence of group of cracks in form of system of embedded squares, calculation of micro destruction viscosity based on data on average distances between two parallel cracks in group of cracks formed in sample after test.
EFFECT: possibility of reliable calculation of viscosity coefficient of micro destruction of materials at minimum number of samples and, accordingly, reducing time consumption of materials for analysis and improving accuracy of calculations.
3 cl, 4 dwg, 3 tbl

Description

Изобретение относится к области исследования и анализа пластических свойств тонких лент аморфных многокомпонентных металлических сплавов после их перехода из аморфного в аморфно-нанокристаллическое состояние в результате термической обработки. Показатель вязкости микроразрушения является важным, так как характеризует те свойства данных материалов, которые не могут быть определены без значительных затрат.The invention relates to the field of research and analysis of the plastic properties of thin ribbons of amorphous multicomponent metal alloys after their transition from an amorphous to an amorphous-nanocrystalline state as a result of heat treatment. The microfracture toughness index is important because it characterizes those properties of these materials that cannot be determined without significant costs.

Стандартные методики механических испытаний металлических образцов разнообразны и широко применяются для определения механических свойств металлов и сплавов. Например, изгибание образцов до их разрушения, склерометрия (нанесение на поверхность образцов царапин с постоянной и переменной нагрузками), испытания на растяжение или сжатие в продольном и поперечном направлениях, измерительное индентирование, ударные испытания на изгиб, многоцикловое истирание и ряд других (1. «Материалы металлические. Метод испытания на изгиб» ГОСТ 14019-2003 (ИСО 7438:1985); 2. Инновационные механические испытания металла, подвергаемого технологическому деформированию и термической обработке: монография / Р.Е. Глинер, В.Н. Дубинский, Е.Б. Катюхин, В.А. Пряничников, А.В. Шабин; Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева. - Нижний Новгород: НГТУ, 2016. - 123 с.: ил., табл.). Данные методы хорошо отработаны на практике, дают достоверные и представительные данные и рассматриваются авторами в качестве аналогов.Standard methods for mechanical testing of metal samples are diverse and widely used to determine the mechanical properties of metals and alloys. For example, bending samples to their destruction, sclerometry (applying scratches with constant and variable loads to the surface of samples), tensile or compression tests in the longitudinal and transverse directions, measuring indentation, impact tests for bending, multi-cycle abrasion and a number of others (1. " Metallic materials - Bending test method "GOST 14019-2003 (ISO 7438: 1985); 2. Innovative mechanical testing of metal subjected to technological deformation and heat treatment: monograph / RE Gliner, VN Du Insky, E.B. Katyukhin, V.A. Pryanichnikov, A.V. Shabin; Nizhny Novgorod State Technical University named after R.E. Alekseev - Nizhny Novgorod: NSTU, 2016 .-- 123 pp., ill., tab. ) These methods are well established in practice, provide reliable and representative data and are considered by the authors as analogues.

Однако для исследования тонких хрупких пленок и покрытий такие методики не пригодны или имеют ряд существенных недостатков. Например, при термической обработке некоторых аморфных металлических сплавов вблизи температуры отпускной хрупкости может наблюдаться их существенное охрупчивание (3. Глезер А.М., Пермякова И.Е., Громов В.Е., Коваленко В.В. Механическое поведение аморфных сплавов. Изд-во СибГИУ. - Новокузнецк. - 2006. - 416 с.), что не позволяет исследовать их стандартными методами. Это вызвано переходом части материала в нанокристаллическое состояние, при котором измерения пластичности дают околонулевые значения, что делает невозможным исследование их свойств в заданном диапазоне температурного воздействия. Недостатками также являются невозможность исследования локальных неоднородных областей в образцах ленты и большой расход образцов и времени, необходимых для испытаний.However, such methods are not suitable for studying thin brittle films and coatings or have a number of significant drawbacks. For example, during the heat treatment of some amorphous metal alloys near the tempering temperature, their significant embrittlement can be observed (3. Glezer A.M., Permyakova I.E., Gromov V.E., Kovalenko V.V. Mechanical behavior of amorphous alloys. - at SibGIU. - Novokuznetsk. - 2006. - 416 p.), which does not allow them to be investigated by standard methods. This is caused by the transition of a part of the material to the nanocrystalline state, in which plasticity measurements give near-zero values, which makes it impossible to study their properties in a given temperature range. The disadvantages are the inability to study local heterogeneous regions in the samples of the tape and the high consumption of samples and the time required for testing.

Известен также способ определения пластичности микроиндентированием на подложках (4. Ушаков И.В., Федоров В.А., Пермякова И.Е. / Определение пластичности металлического стекла микроиндентированием на подложках // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2003. Т. 69. №7. С. 43-47; 5. Ушаков И.В., Поликарпов В.М. / Испытания тонких лент металлического стекла инденторами различной геометрической формы // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2007. Т. 73. №2. С. 68-71.). При использовании данного способа предварительно отожженный и охлажденный до комнатной температуры образец исследуемого материала помещают на металлическую подложку, на которую со стороны исследуемого образца наносится слой полимерного композитного материала, закрепляют на ней, после чего воздействуют на исследуемый образец четырехгранной пирамидкой, подбирая усилие воздействия, скорость касания поверхности исследуемого материала пирамидкой и время воздействия на образец таким образом, чтобы в месте воздействия (проникновения) пирамидки образовалась группа трещин в виде фигур, близких к вложенным квадратам. При этом для определения коэффициента пластичности используют выражение:There is also a method of determining plasticity by microindentation on substrates (4. Ushakov I.V., Fedorov V.A., Permyakova I.E. / Determination of plasticity of metal glass by microindentation on substrates // Factory Laboratory. Diagnostics of materials. 2003. T. 69. No. 7. P. 43-47; 5. Ushakov IV, Polikarpov VM / Tests of thin ribbons of metallic glass by indenters of various geometric shapes // Factory Laboratory. Diagnostics of materials. 2007. V. 73. No. 2. C. . 68-71.). When using this method, a pre-annealed and cooled to room temperature sample of the test material is placed on a metal substrate, on which a layer of polymer composite material is applied from the side of the test sample, fixed on it, and then the tetrahedral pyramid is exposed to the test sample, selecting the force of action, the speed of contact the surface of the test material with a pyramid and the time of exposure to the sample so that at the site of exposure (penetration) p ramidki group cracks formed in the form of figures, similar to nested squares. Moreover, to determine the coefficient of plasticity using the expression:

Figure 00000001
Figure 00000001

где h - толщина исследуемого образца, мкм, a d - диаметр приведенной полуокружности, достроенной по результатам измерения фигуры, образованной группой трещин после воздействия на образец четырехгранной пирамидкой, мкм. Также возможно использование эмпирических коэффициентов, умножаемых на величину «ступени» отпечатка от индентора, то есть на расстояние между соседними трещинами, образующими фигуру из вложенных квадратов.where h is the thickness of the test sample, μm, a d is the diameter of the reduced semicircle, completed according to the measurement results of the figure formed by a group of cracks after exposure to the sample with a tetrahedral pyramid, μm. It is also possible to use empirical coefficients multiplied by the magnitude of the “step” of the indenter impression, that is, by the distance between adjacent cracks forming a figure from the enclosed squares.

Недостатком данного способа является относительно низкая точность расчета коэффициента пластичности е вследствие ошибок при определении приведенного диаметра полуокружности и эмпирических коэффициентов.The disadvantage of this method is the relatively low accuracy of calculating the coefficient of plasticity e due to errors in determining the reduced diameter of the semicircle and empirical coefficients.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ определения пластических характеристик пленок многокомпонентных аморфно-нанокристаллических металлических сплавов (6. Патент №2494039, С1 Российская Федерация, МПК G01N 3/42, B82Y 35/00. Способ определения пластических характеристик пленок многокомпонентных аморфно-нанокристаллических металлических сплавов / Ушаков И.В., Сафронов И.С; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «МГГУ». - №2012116406/28; заявлено 24.04.2012; опубликовано 27.09.2013), в котором для расчета величины d в выражении (1) используется следующее выражение:Closest to the proposed invention in technical essence and the achieved result is a method for determining the plastic characteristics of films of multicomponent amorphous-nanocrystalline metal alloys (6. Patent No. 2494039, C1 Russian Federation, IPC G01N 3/42, B82Y 35/00. Method for determining the plastic characteristics of films multicomponent amorphous-nanocrystalline metal alloys / Ushakov I.V., Safronov I.S .; applicant and patent holder of FSBEI HPE “MGGU”. - No. 2012116406/28; filed April 24, 2012; published September 27, 2013), in which ohm to calculate the value of d in the expression (1) uses the following expression:

Figure 00000002
где lсред и lмин.сред - среднее и минимальное среднее расстояния между соседними трещинами соответствующих сторон фигуры, образованной трещинами в форме вложенных квадратов после воздействия на образец индентора, мкм. При этом учитываются только те трещины, которые относительно параллельны соответствующим сторонам квадрата и образующие характерную фигуру в виде вложенных квадратов. Расчеты lсред производят путем измерения всех расстояний между соседними трещинами во всех сторонах образованной ими фигуры, при необходимости достраивая незамкнутые квадраты до замкнутых.
Figure 00000002
where l environments and l min . medium - the average and minimum average distances between adjacent cracks of the corresponding sides of the figure formed by cracks in the form of embedded squares after exposure to the indenter sample, microns. In this case, only those cracks that are relatively parallel to the corresponding sides of the square and forming a characteristic figure in the form of nested squares are taken into account. Calculations of l media are carried out by measuring all the distances between adjacent cracks on all sides of the figure formed by them, if necessary, building open squares to closed ones.

Figure 00000003
Figure 00000003

где lа1, lа2, … lan, lb1, lb2, … lbn, lcl, lc2, … lcn, ldl, ld2, … ldn - расстояния между соседнимиwhere l a1 , l a2 , ... l an , l b1 , l b2 , ... l bn , l cl , l c2 , ... l cn , l dl , l d2 , ... l dn are the distances between neighboring

трещинами в каждой из сторон фигуры, ими образованной. Аналогично рассчитывают lмин.сред, но вместо всех расстояний между соседними трещинами берут только минимальные расстояния между соседними трещинами в каждой из сторон фигуры, ими образованной.cracks in each side of the figure formed by them. Similarly, l min medium is calculated , but instead of all the distances between adjacent cracks, only the minimum distances between adjacent cracks in each side of the figure formed by them are taken.

Данный способ позволяет существенно повысить точность определения коэффициента пластичности и рассматривается авторами в качестве прототипа.This method allows to significantly improve the accuracy of determining the coefficient of plasticity and is considered by the authors as a prototype.

При этом прототип имеет ряд недостатков. Во-первых, трудность в получении симметричных картин разрушения, которые имели бы симметричные отпечатки и трещины, ориентированные параллельно всем четырем граням пирамидки индентора. При этом необходимо, чтобы в таких симметричных картинах параллельно каждой грани индентора было сформировано три или более параллельных трещины. Во-вторых, на исследуемых образцах могут вообще не появляться трещины или формироваться несимметричные картины разрушения. Это приводит к снижению точности измерений и необходимости проведения дополнительных испытаний, что в свою очередь ведет к увеличению затрат времени и других ресурсов. Следует также отметить, что коэффициент s связан с остаточными деформациями после нагружения, как то, скольжение дислокаций, двойникование и прочие виды разрушения. Поэтому при исследовании тонких пленок от определения коэффициента пластичности желательно отказаться, заменив его более точно отражающим физическую сущность свойств данных материалов термином «вязкость микроразрушения».However, the prototype has several disadvantages. First, the difficulty in obtaining symmetrical fracture patterns that would have symmetrical imprints and cracks oriented parallel to all four faces of the indenter pyramid. In this case, it is necessary that in such symmetrical patterns parallel to each face of the indenter, three or more parallel cracks be formed. Secondly, cracks may not appear at all on the samples under investigation or asymmetric fracture patterns may form. This leads to a decrease in measurement accuracy and the need for additional tests, which in turn leads to an increase in time and other resources. It should also be noted that the coefficient s is associated with residual deformations after loading, such as slip of dislocations, twinning, and other types of fracture. Therefore, in the study of thin films, it is desirable to abandon the determination of the plasticity coefficient by replacing it with a more precise term that reflects the physical nature of the properties of these materials by the term “microdestruction viscosity”.

Технический результат предлагаемого изобретения состоит в том, что предварительно определяя оптимальную величину усилия вдавливания индентора в образец, при которой вероятность появления характерной картины микроразрушения максимальна, выделяя диапазон допустимых нагрузок на индентор, и определяя минимально допустимые расстояния проведения испытаний между точками индентирования и краем исследуемого образца, при котором проявляется характерная картина микроразрушения, увеличиваем вероятность получения на исследуемых образцах таких отпечатков от индентора, которые позволяют произвести достоверный расчет коэффициента вязкости микроразрушения материалов на минимальном количестве образцов и соответственно, снижаем затраты времени, материалов для исследования и повышаем точность расчетов.The technical result of the invention lies in the fact that pre-determining the optimal value of the indentation force of the indenter into the sample, at which the probability of the appearance of a characteristic microdestruction pattern is maximum, highlighting the range of allowable loads on the indenter, and determining the minimum allowable test distances between indentation points and the edge of the sample in which a characteristic pattern of microdestruction appears, we increase the probability of obtaining t on the studied samples FIR prints of the indenter, which permit a reliable calculation of the viscosity coefficient microfracture materials on a minimum number of samples and, accordingly, reduce the cost of time and materials for research and improve the accuracy of calculations.

Технический результат достигается следующим образом. Изготавливают образцы из тонкой аморфной металлической ленты, образуют в них аморфно-нанокристаллические структуры путем контролируемой термической обработки, размещают на подложках из металла и полимерного композитного материала, исследуют вязкость микроразрушения путем вдавливания в образец индентора в виде пирамидки Виккерса с нагрузкой, скоростью и временем воздействия на образец, позволяющими спровоцировать появление группы трещин в виде системы вложенных квадратов, рассчитывают вязкость микроразрушения на основании данных о средних расстояниях между двумя параллельными трещинами в группе трещин, образованных в образце после испытания, причем перед проведением основной серии испытаний, проводят первую серию дополнительных испытаний одного образца с различной нагрузкой, на основании которой определяют оптимальную величину усилия вдавливания индентора в образец, при которой вероятность появления характерной картины микроразрушения максимальна, после чего проводят вторую дополнительную серию испытаний с оптимальной величиной нагрузки на другом образце для определения минимально допустимого расстояния проведения испытаний между точками индентирования и краем исследуемого образца, при котором проявляется характерная картина микроразрушения.The technical result is achieved as follows. Samples are made of a thin amorphous metal strip, amorphous-nanocrystalline structures are formed in them by controlled heat treatment, placed on substrates of metal and a polymer composite material, the microdestruction viscosity is examined by pressing an indenter in the form of a Vickers pyramid with a load, speed and time of exposure to specimen, allowing to provoke the appearance of a group of cracks in the form of a system of nested squares, the microfracture viscosity is calculated based on the data about the average distances between two parallel cracks in the group of cracks formed in the sample after the test, and before conducting the main series of tests, the first series of additional tests of one sample with different loads is carried out, based on which the optimal value of the indenter pushing force into the sample is determined, at which the probability the appearance of the characteristic microdestruction pattern is maximum, after which a second additional series of tests is carried out with the optimal load on another specimen to determine the minimum distance between the test points and the test sample indentation edge, wherein the characteristic pattern shown microfracture.

Кроме того, технический результат достигается за счет того, что количество испытаний в первой и второй дополнительных сериях составляет не менее 20 испытаний на каждый вариант прилагаемой нагрузки и на каждый вариант расстояния между точками индентирования и краем образца, при этом дополнительные серии испытаний прекращают после того, как выявлен диапазон величин усилия вдавливания индентора в образец, в котором вероятность образования характерной картины микроразрушения превышает 0,65, и содержащий оптимальную величину усилия вдавливания, и определено минимально допустимое расстояние между точками индентирования и краем исследуемого образца.In addition, the technical result is achieved due to the fact that the number of tests in the first and second additional series is at least 20 tests for each variant of the applied load and for each variant of the distance between the indentation points and the edge of the sample, while additional series of tests are stopped after how the range of values of the indenter indentation force into the sample was revealed, in which the probability of the formation of a characteristic microdestruction pattern exceeds 0.65, and containing the optimal value of the indentation force Nia, and defined minimum distance between points of the indentation and the test sample edge.

Также для достижения технического результата в случае, если при проведении испытаний в центральной части образца образующиеся трещины соприкасаются с трещинами, образованными в ходе предыдущего испытания, либо не образуют характерной картины микроразрушения, то расстояние между смежными точками индентирования увеличивают в полтора раза и испытание повторяют, а результаты предыдущего испытания не учитываются, причем увеличение расстояния между точками индентирования производят до тех пор, пока не проявится характерная картина микроразрушения.Also, to achieve a technical result, if during testing in the central part of the specimen the cracks formed contact with the cracks formed during the previous test or do not form a characteristic microdestruction pattern, then the distance between adjacent indentation points is increased by a factor of 1.5 and the test is repeated, and the results of the previous test are not taken into account, and the distance between the indentation points is increased until a characteristic micro picture destruction.

Изобретение поясняется чертежом, где на фигуре 1, фигуре 2 и фигуре 3 показаны графики зависимости вероятности формирования симметричных микрокартин разрушения на поверхности образца (Р) в долях единицы от величины нагрузки на индентор (F) в Ньютонах, а на фигуре 4 - зависимость доли симметрии в микрокартинах разрушения (W) в долях единицы, от расстояния места испытания до края образца (L) в микрометрах.The invention is illustrated by the drawing, where in figure 1, figure 2 and figure 3 graphs of the probability of formation of symmetrical fracture micro-patterns on the surface of the sample (P) in fractions of a unit on the load on the indenter (F) in Newtons are shown, and in figure 4 the dependence of the proportion of symmetry in fracture micrographs (W) in fractions of a unit, from the distance of the test site to the edge of the sample (L) in micrometers.

Способ может быть реализован следующим образом.The method can be implemented as follows.

Образцы тонкой ленты аморфного металлического сплава толщиной 30 мкм и линейными размерами 15×25 мм отжигают в печи 10 минут при постоянной температуре отжига, при которой в данном сплаве формируется аморфно-нанокристаллическая структура. Структуру отожженных образцов фиксируют на дифрактометре, например ДРОН-2, посредством рентгеноструктурного анализа. Образцы, прошедшие термическую обработку, наносят на полимерные композитные подложки толщиной 2 мм с основанием в виде металлических пластин толщиной 2-3 мм. Благодаря этому удается достигнуть достаточной жесткости конструкции «образец-подложка-пластина». Микротвердость исследуемых образцов не менее чем в 10 раз превышает микротвердость полиэфирного композита. За счет этого индентор (четырехгранная пирамидка Виккерса) может хорошо внедряться сквозь образец в подложку и соответственно, имеется возможность фиксации картин разрушения тонкой пленки после нагружения. Образцы в течение некоторого времени сильно прижимают к полиэфирным композициям до их склеивания, после чего размещают со стороны композитов на металлических пластинах.Samples of a thin tape of an amorphous metal alloy with a thickness of 30 μm and linear dimensions of 15 × 25 mm are annealed in a furnace for 10 minutes at a constant annealing temperature at which an amorphous-nanocrystalline structure is formed in this alloy. The structure of the annealed samples is fixed on a diffractometer, for example DRON-2, by means of X-ray diffraction analysis. Heat-treated samples are applied to polymer composite substrates 2 mm thick with a base in the form of metal plates 2-3 mm thick. Due to this, it is possible to achieve sufficient rigidity of the design "sample-substrate-plate". The microhardness of the samples under study is no less than 10 times the microhardness of the polyester composite. Due to this, the indenter (tetrahedral Vickers pyramid) can well penetrate through the sample into the substrate and, accordingly, it is possible to fix the destruction patterns of a thin film after loading. Samples for some time strongly pressed to the polyester compositions until they are glued, and then placed on the side of the composites on metal plates.

После чего проводят первую серию дополнительных испытаний одного образца с различной нагрузкой, на основании которой определяют оптимальную величину усилия вдавливания индентора в образец и выделяют диапазон допустимых нагрузок на индентор, при котором вероятность появления характерной картины разрушения превышает 0,65. Исследование образца начинают с его центральной части. Для чего проводят ряд серий индентирования, каждая из 20-ти испытаний при постоянной нагрузке. Шаг увеличения нагрузки каждой последующей серии задается заранее, исходя из конструкции твердомера, и является одинаковым для всей серии испытаний образца. В ходе испытаний визуальным путем выявляют количество точек индентирования с требуемой картиной разрушения и определяют процент характерных картин разрушения. Серию испытаний продолжают до тех пор, пока не будет найден диапазон нагрузок, при котором вероятность появления характерной картины разрушения превышает заданное значение, и обязательно включающий нагрузку, обеспечивающую максимальную вероятность получения отпечатка от индентора, удовлетворяющего требованиям, предъявляемым методикой к расчету вязкости микроразрушения.After that, the first series of additional tests of one specimen with a different load is carried out, on the basis of which the optimal value of the indenter indentation force into the specimen is determined and the range of allowable loads on the indenter is determined, in which the probability of the appearance of a characteristic fracture pattern exceeds 0.65. Examination of the sample begins with its central part. Why do they conduct a series of indentation series, each of 20 tests with a constant load. The step of increasing the load of each subsequent series is set in advance, based on the design of the hardness tester, and is the same for the entire series of test samples. During the tests, the number of indentation points with the required fracture pattern is revealed by visual means and the percentage of characteristic fracture patterns is determined. The series of tests is continued until a load range is found at which the probability of the appearance of a characteristic pattern of fracture exceeds a predetermined value, and necessarily includes a load that provides the maximum probability of obtaining a fingerprint from an indenter that meets the requirements of the method for calculating the microfracture viscosity.

На втором этапе исследование другого образца начинают от его границы в направлении центральной части. Для этого проводят несколько серий индентирования с определенной ранее оптимальной нагрузкой на индентор, но разными расстояниями от края исследуемого образца до точки приложения нагрузки. При этом количество испытаний в каждой серии составляет 20-ть, а начальный шаг определяется как половина расстояния между точками нагружения, найденном на первом этапе. Испытания прекращаются после того, как вероятность получения характерной картины микроразрушения, определяемая в долях единицы, превысит заданное значение. Это расстояние принимают минимально допустимым расстоянием проведения испытаний от края образца.At the second stage, the study of another sample begins from its border in the direction of the central part. To do this, several series of indentation are carried out with the previously determined optimal load on the indenter, but with different distances from the edge of the test sample to the point of application of the load. The number of tests in each series is 20, and the initial step is defined as half the distance between the load points found in the first stage. The tests are terminated after the probability of obtaining a characteristic microdestruction picture, determined in fractions of a unit, exceeds the set value. This distance is taken as the minimum allowable distance of the test from the edge of the sample.

Все последующие испытания в основной серии производят на основании полученных таким образом данных. При этом точки индентирования располагают на одной линии с фиксированными расстояниями между ними, а в случае, если при проведении испытания образовавшиеся трещины соприкасаются с трещинами, образованными в ходе предыдущего испытания, либо не образуют характерной картины микроразрушения, то расстояние между смежными точками индентирования увеличивают в полтора раза и повторяют испытание, а результаты предыдущего испытания исключают, причем увеличение расстояния производят до тех пор, пока не проявится характерная картина микроразрушения. Это расстояние принимают минимальным между точками индентирования. Расстояния между линиями, вдоль которых проводятся испытания на одном образце, принимают заведомо большими, чем минимальное расстояние между точками индентирования в одной линии, чтобы исключить их влияние друг на друга.All subsequent tests in the main series are performed on the basis of the data thus obtained. In this case, the indentation points are placed on the same line with fixed distances between them, and if during the test the cracks formed are in contact with the cracks formed during the previous test or do not form a characteristic microdestruction pattern, then the distance between adjacent indentation points is increased by one and a half times and repeat the test, and the results of the previous test are excluded, and an increase in the distance is made until a characteristic pattern of microfracture appears sheniya. This distance is taken to be the minimum between indentation points. The distances between the lines along which tests are carried out on the same specimen are taken deliberately larger than the minimum distance between the indentation points in one line in order to exclude their influence on each other.

Для примера реализации предложенного способа были взяты образцы из стандартно выпускаемых быстрозакаленных лент аморфных магнитомягких сплавов АМЕТ на основе кобальта. Исследовались образцы, изготовленные из сплавов следующих марок: 82К3ХСР, 84КХСР, 86КГСР. Химические (элементные) составы этих сплавов следующие: 1) 82К3ХСР - Co71,66Si17,09B4,73Fe3,38Cr3,14; 2) 84КХСР - Co81,92Si7,2Fe4,3Cr4B2,5Ni1,8C0,05S0,015P0,015; 3) 86КГСРFor an example of the implementation of the proposed method, samples were taken from standardly produced rapidly quenched tapes of amorphous magnetically soft alloys AMET based on cobalt. We investigated samples made from alloys of the following grades: 82K3KHSR, 84KKhSR, 86KGSR. The chemical (elemental) compositions of these alloys are as follows: 1) 82K3KHSR - Co 71.66 Si 17.09 B 4.73 Fe 3.38 Cr 3.14 ; 2) 84KHSR - Co 81.92 Si 7.2 Fe 4.3 Cr 4 B 2.5 Ni 1.8 C 0.05 S 0.015 P 0.015 ; 3) 86KGSR

Co71,02Ni12,4Si6,7Fe5,9B3,8Mn0,1C0,05S0,015P0,015. Данные материалы производятся в виде лент, поставляются в нетермообработанном состоянии и используются, в том числе для производства индукторов в устройствах магнитной сепарации. Сформированные из них изделия требуют термической или термомагнитной обработки.Co 71.02 Ni 12.4 Si 6.7 Fe 5.9 B 3.8 Mn 0.1 C 0.05 S 0.015 P 0.015 . These materials are produced in the form of tapes, delivered in a non-heat-treated state and are used, including for the production of inductors in magnetic separation devices. The products formed from them require thermal or thermomagnetic treatment.

Печной отжиг применяется для получения наноструктуры, изменяющей свойства материала, и получения требуемых технических характеристик. Из лент были вырезаны образцы размером 15 на 25 мм. Образцы для исследования были отожжены в течение 10 минут при следующих температурах: 1) 82К3ХСР - 833 К (560°С); 2) 84КХСР - 863 К (590°С); 3) 86КГСР - 803 К (530°С). После этого образцы размером 15 на 25 мм размещали на подложках, как было описано ранее (4), при этом для создания относительно мягкого слоя, связывающего образец и металлическую подложку, использовались полимерные композиты марки BodiFiber: 67/548/ЕЕС.Furnace annealing is used to obtain a nanostructure that changes the properties of the material and obtain the required technical characteristics. 15 by 25 mm samples were cut from the tapes. Samples for the study were annealed for 10 minutes at the following temperatures: 1) 82K3XSR - 833 K (560 ° C); 2) 84KHSR - 863 K (590 ° C); 3) 86KGSR - 803 K (530 ° C). After that, samples of 15 by 25 mm in size were placed on substrates, as described previously (4), while to create a relatively soft layer connecting the sample and the metal substrate, we used BodiFiber polymer composites: 67/548 / EEC.

Подготовленные таким образом образцы были исследованы на микротвердомере марки ПМТ-3М, измерения размеров производились с помощью винтового окулярного микрометра МОВ-1-16х. Диапазон нагрузок на индентор данного микротвердомера от 0,0196 Н до 4,9 Н с ручным управлением. В качестве индентора использовался алмазный наконечник четырехгранной пирамидки Виккерса с квадратным основанием и углом при вершине 136°.The samples prepared in this way were investigated on a PMT-3M microhardness tester, size measurements were carried out using a screw ocular micrometer MOV-1-16x. The range of loads on the indenter of this microhardness tester is from 0.0196 N to 4.9 N with manual control. As an indenter, we used a diamond tip of the tetrahedral Vickers pyramid with a square base and a vertex angle of 136 °.

Предварительные испытания полученных образцов проводились согласно заявляемому способу в два этапа. На первом этапе определялась оптимальная нагрузка на индентор Fopt для каждого исследуемого сплава. Было проведено десять циклов по двадцать испытаний. В результате была получена зависимость вероятности Р формирования симметричных микрокартин разрушения на поверхности образца от величины нагрузки на индентор F, Н. Результаты данных испытаний для каждого исследуемого сплава представлены в таблице 1 и на фигурах 1, 2 и 3 в виде графиков. На фигуре 1 показаны данные, полученные при испытании образца из сплава 82К3ХСР, на фигуре 2 - из сплава 84КХСР и на фигуре 3 - из сплава 86КГСР. При этом на фигуре 1, фигуре 2 и фигуре 3 на оси абсцисс показана нагрузка на индентор в Ньютонах, на оси ординат показана вероятность формирования симметричных микрокартин разрушения на поверхности образцов от величины нагрузки на индентор, обозначенная Р и выраженная в долях единицы, а цифрами 1 - границы области нагрузки на индентор, в которой вероятность формирования симметричных микрокартин больше, чем 0,65.Preliminary tests of the obtained samples were carried out according to the claimed method in two stages. At the first stage, the optimal load on the indenter F opt was determined for each alloy under study. Ten cycles of twenty trials were conducted. As a result, the dependence of the probability P of the formation of symmetric fracture micro-pictures on the surface of the sample on the load on the indenter F, N was obtained. The test results for each alloy under study are presented in table 1 and in figures 1, 2 and 3 in the form of graphs. Figure 1 shows the data obtained when testing a sample of 82K3XSR alloy, figure 2 - of 84KXSR alloy and figure 3 - of 86KGSR alloy. In this case, in FIG. 1, FIG. 2 and FIG. 3, the abscissa axis shows the load on the indenter in Newtons, the ordinate axis shows the probability of the formation of symmetrical fracture micro-patterns on the surface of the samples from the value of the indenter load, denoted by P and expressed in fractions of a unit, and by the numbers 1 - the boundaries of the load region on the indenter, in which the likelihood of the formation of symmetrical micro pictures is greater than 0.65.

Например, образцы 82К3ХСР не разрушались от воздействия нагрузок до 1,96 Н включительно. При нагрузках, меньших 2,45 Н, симметричные трещины не формируются, либо вероятность их формирования ниже 10%. Такие нагрузки непригодны для использования на данном сплаве 82К3ХСР, так как низкая симметрия и низкая воспроизводимость результатов не позволяют собирать статистические данные.For example, samples 82K3KHSR were not destroyed by exposure to loads up to 1.96 N inclusive. At loads less than 2.45 N, symmetrical cracks do not form, or the probability of their formation is below 10%. Such loads are unsuitable for use on this 82K3XSR alloy, since low symmetry and low reproducibility of the results do not allow the collection of statistical data.

Были экспериментально установлены допустимые и оптимальные нагрузки для получения симметричных и пригодных для анализа картин разрушения. Так, для материала 82К3ХСР минимальная нагрузка на индентор Fmin ≈ 2,45 Н (Р ≈ 0,1), оптимальная нагрузка на индентор Fopt ≈ 3,92 Н (Р ≈ 0,85), максимальная нагрузка на индентор Fmax ≈ 4,9 Н (Р ≈ 0,4), рекомендуемый диапазон нагрузок, при котором вероятность формирования симметричных микрокартин больше 65%, от 3,53 Н до 4,51 Н.Permissible and optimal loads were experimentally established to obtain symmetrical and fracture patterns suitable for analysis. So, for material 82K3XSR, the minimum load on the indenter is F min ≈ 2.45 N (P ≈ 0.1), the optimal load on the indenter is F opt ≈ 3.92 N (P ≈ 0.85), and the maximum load on the indenter is F max ≈ 4.9 N (P ≈ 0.4), the recommended load range at which the probability of the formation of symmetrical micro pictures is more than 65%, from 3.53 N to 4.51 N.

Figure 00000004
Figure 00000004

На втором этапе определялось минимально допустимое расстояние Lмин. доп. проведения испытаний от края образца. Испытания для каждого исследуемого сплава проводились согласно заявляемому способу, начиная от края образца к его центру, при определенной ранее оптимальной нагрузке на индентор Fopt и состояли из восьми серий по двадцать испытаний в каждой серии. Для каждой серии вычислялась доля симметрии в микрокартинах разрушения, W. Результаты испытаний представлены в таблице 2 и на фигуре 4 в виде графиков. На оси абсцисс показано расстояние от места проведения испытания до края образца, Lгp., мкм, на оси ординат - доля симметрии в микрокартинах разрушения в долях единицы, W, цифрой 2 показано изменение W от Lгр.,. для сплава 82К3ХСР, цифрой 3 - изменение W от Lгр. для сплава 84КХСР и цифрой 4 - для сплава 86КГСР.At the second stage, the minimum allowable distance L min was determined . add. testing from the edge of the sample. Tests for each investigated alloy were carried out according to the claimed method, starting from the edge of the sample to its center, at a previously determined optimal load on the indenter F opt and consisted of eight series of twenty tests in each series. For each series, the proportion of symmetry in the fracture micrographs, W, was calculated. The test results are presented in table 2 and in figure 4 in the form of graphs. The abscissa shows the distance from the test site to the edge of the sample, L gp. , μm, on the ordinate axis - the proportion of symmetry in the fracture micro-pictures in fractions of a unit, W, figure 2 shows the change in W from L gr. ,. for alloy 82K3XSR, the number 3 is the change in W from L gr. for alloy 84KHSR and number 4 - for alloy 86KGSR.

Figure 00000005
Figure 00000005

Как видно из графиков на фигуре 4, с увеличением расстояния от границ образца Lгр. микрокартины его разрушения становятся более симметричными. На определенном расстоянии L ≈ Lмин. доп. симметричные элементы в микрокартинах достигают своего максимального значения Wmax. Дальнейшее удаление от границ образца не изменяло достигнутого максимума образования симметричных элементов картин.As can be seen from the graphs in figure 4, with increasing distance from the boundaries of the sample L gr. micro-pictures of its destruction become more symmetrical. At a certain distance L ≈ L min. add. symmetrical elements in micro pictures reach their maximum value W max. Further removal from the boundaries of the sample did not change the attained maximum of the formation of symmetrical elements of the paintings.

По результатам предварительных испытаний была составлена сводная таблица 3 для интерпретации полученных данных применительно к предлагаемому способу определения вязкости микроразрушения тонких аморфно-нанокристаллических пленок, на основании которой возможно с высокой вероятностью определить оптимальные параметры проведения индентирования образцов данных сплавов в основной серии испытаний.Based on the results of preliminary tests, a summary table 3 was compiled for interpreting the data obtained in relation to the proposed method for determining the micro-fracture viscosity of thin amorphous-nanocrystalline films, on the basis of which it is possible to determine with high probability the optimal parameters for the indentation of samples of these alloys in the main series of tests.

Figure 00000006
Figure 00000006

Из приведенных в примере реализации данных видно, что результаты, полученные при использовании предлагаемого метода, позволяют достичь заявляемого технического результата, а признаки, характеризующие предлагаемый способ, необходимы и достаточны для его реализации.From the data presented in the implementation example, it can be seen that the results obtained using the proposed method make it possible to achieve the claimed technical result, and the signs characterizing the proposed method are necessary and sufficient for its implementation.

Claims (3)

1. Способ определения вязкости микроразрушения тонких аморфно-нанокристаллических пленок, включающий изготовление образцов из тонкой аморфной металлической ленты, образование в них аморфно-нанокристаллической структуры путем контролируемой термической обработки, размещение на подложках из металла и полимерного композитного материала, исследование вязкости микроразрушения путем вдавливания в образец индентора в виде пирамидки Виккерса с нагрузкой, скоростью и временем воздействия на образец, позволяющими спровоцировать появление группы трещин в виде системы вложенных квадратов, расчет вязкости микроразрушения на основании данных о средних расстояниях между двумя параллельными трещинами в группе трещин, образованных в образце после испытания, отличающийся тем, что перед проведением основной серии испытаний проводят первую серию дополнительных испытаний одного образца с различной нагрузкой, на основании которой определяют оптимальную величину усилия вдавливания индентора в образец, при которой вероятность появления характерной картины микроразрушения максимальна, после чего проводят вторую дополнительную серию испытаний с оптимальной величиной нагрузки на другом образце для определения минимально допустимого расстояния проведения испытаний между точками индентирования и краем исследуемого образца, при котором проявляется характерная картина микроразрушения.1. A method for determining the micro-fracture viscosity of thin amorphous-nanocrystalline films, including the manufacture of samples from a thin amorphous metal strip, the formation of an amorphous-nanocrystalline structure in them by controlled heat treatment, placement on substrates of metal and a polymer composite material, the study of micro-fracture viscosity by pressing it into a sample indenter in the form of a Vickers pyramid with a load, speed and time of exposure to the sample, allowing to provoke the appearance groups of cracks in the form of a system of embedded squares, calculation of the micro-fracture viscosity on the basis of data on the average distances between two parallel cracks in the group of cracks formed in the sample after the test, characterized in that before conducting the main series of tests, the first series of additional tests of one sample is carried out with different loads on the basis of which the optimal value of the indenter indentation force into the sample is determined, at which the probability of the appearance of a characteristic pattern of microdestruction max is minimum, followed by a second additional series of tests the optimum load value for another sample to determine the minimum distance between the test points and the test sample indentation edge, wherein the characteristic pattern shown microfracture. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что количество испытаний в первой и второй дополнительных сериях составляет не менее 20 испытаний на каждый вариант прилагаемой нагрузки и на каждый вариант расстояния между точками индентирования и краем образца, при этом дополнительные серии испытаний прекращают после того, как выявлен диапазон величин усилия вдавливания индентора в образец, в котором вероятность образования характерной картины микроразрушения превышает 0,65 и содержащий оптимальную величину усилия вдавливания, и определено минимально допустимое расстояние между точками индентирования и краем исследуемого образца.2. The method according to p. 1, characterized in that the number of tests in the first and second additional series is at least 20 tests for each variant of the applied load and for each variant of the distance between the indentation points and the edge of the sample, while additional series of tests are stopped after that as revealed the range of values of the indenter indentation force into the sample, in which the probability of the formation of a characteristic microdestruction pattern exceeds 0.65 and containing the optimal value of the indentation force, and the minimum of allowable distance between the indentation and the test sample edge. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что если при проведении испытаний в центральной части образца образующиеся трещины соприкасаются с трещинами, образованными в ходе предыдущего испытания, либо не образуют характерной картины микроразрушения, то расстояние между смежными точками индентирования увеличивают в полтора раза и испытание повторяют, а результаты предыдущего испытания не учитываются, причем увеличение расстояния между точками индентирования производят до тех пор, пока не проявится характерная картина микроразрушения.3. The method according to p. 1, characterized in that if during the tests in the central part of the sample the cracks formed contact with the cracks formed during the previous test or do not form a characteristic microdestruction pattern, then the distance between adjacent indentation points is increased by 1.5 times and the test is repeated, and the results of the previous test are not taken into account, and the distance between the indentation points is increased until a characteristic pattern of microfracture is manifested.
RU2018145595A 2018-12-21 2018-12-21 Method of determining viscosity of micro destruction of thin amorphous-nanocrystalline films RU2699945C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018145595A RU2699945C1 (en) 2018-12-21 2018-12-21 Method of determining viscosity of micro destruction of thin amorphous-nanocrystalline films

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018145595A RU2699945C1 (en) 2018-12-21 2018-12-21 Method of determining viscosity of micro destruction of thin amorphous-nanocrystalline films

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2699945C1 true RU2699945C1 (en) 2019-09-11

Family

ID=67989532

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018145595A RU2699945C1 (en) 2018-12-21 2018-12-21 Method of determining viscosity of micro destruction of thin amorphous-nanocrystalline films

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2699945C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2767028C1 (en) * 2021-04-20 2022-03-16 Александр Евгеньевич Зорин Method of determining embrittlement of material
RU2800339C1 (en) * 2022-08-19 2023-07-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН) Method for determining residual stresses in thin hard coatings based on coating concavity

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3763697A (en) * 1970-04-15 1973-10-09 Sturm Stress Inc Method and apparatus for determining stress
RU2494039C1 (en) * 2012-04-24 2013-09-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный горный университет (МГГУ) Method of determining plastic characteristics of films of multicomponent amorphous-nanocrystalline metal alloys
RU2561788C1 (en) * 2014-06-17 2015-09-10 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" Method of determination of coefficient of viscosity of microdestruction of thin films from multicomponent amorphous and nanocrystal metal alloys (versions)

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3763697A (en) * 1970-04-15 1973-10-09 Sturm Stress Inc Method and apparatus for determining stress
RU2494039C1 (en) * 2012-04-24 2013-09-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный горный университет (МГГУ) Method of determining plastic characteristics of films of multicomponent amorphous-nanocrystalline metal alloys
RU2561788C1 (en) * 2014-06-17 2015-09-10 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" Method of determination of coefficient of viscosity of microdestruction of thin films from multicomponent amorphous and nanocrystal metal alloys (versions)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2767028C1 (en) * 2021-04-20 2022-03-16 Александр Евгеньевич Зорин Method of determining embrittlement of material
RU2800339C1 (en) * 2022-08-19 2023-07-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН) Method for determining residual stresses in thin hard coatings based on coating concavity

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Swain Mechanical property characterisation of small volumes of brittle materials with spherical tipped indenters
Riccardi et al. Indentation of metals by a flat-ended cylindrical punch
Liu et al. Progress in indentation study of materials via both experimental and numerical methods
Dong et al. Micromechanical behavior study of α phase with different morphologies of Ti–6Al–4V alloy by microindentation
RU2699945C1 (en) Method of determining viscosity of micro destruction of thin amorphous-nanocrystalline films
Kolhatkar et al. Development and validation of a miniature tensile specimen for determination of mechanical properties
Rodopoulos et al. The effect of surface engineering treatments on the fatigue behavior of 2024-T351 aluminum alloy
Mishra et al. The edge-notched clamped beam bend specimen as a fracture toughness test geometry
Ahn et al. Surface residual stress in soda-lime glass evaluated using instrumented spherical indentation testing
RU2561788C1 (en) Method of determination of coefficient of viscosity of microdestruction of thin films from multicomponent amorphous and nanocrystal metal alloys (versions)
Vychuzhanin et al. Stress and strain and damage during frictional strengthening treatment of flat steel surface with a sliding cylindrical indenter
Shahmirzaloo et al. Influences of the constrained groove pressing on microstructural, mechanical, and fracture properties of brass sheets
Liu et al. Comparison of microscratch responses of metals between Berkovich and Rockwell C indenters under progressive normal force
Bisrat et al. Residual stress measurement by Hertzian indentation
Zhang et al. Determination of plastic properties of surface modification layer of metallic materials from scratch tests
Ohashi et al. Evaluation of r-value of steels using Vickers hardness test
RU2494039C1 (en) Method of determining plastic characteristics of films of multicomponent amorphous-nanocrystalline metal alloys
Simonov et al. Methodology of mechanical testing for experimental detection of microdestruction viscosity in local regions of thin ribbons of amorpho-nanocrystalline material
Shlyannikov et al. Surface crack growth rate under tension and bending in aluminum alloys and steel
Zehnder et al. A note on the measurement of K and J under small scale yielding conditions using the method of caustics
Liu et al. Influence of laser surface texturing on the flexural strength of Al2O3 and Si3N4
Naimark et al. Critical Dynamics of Damage to Composites and Two-Parameter Fracture Criteria
Tyutin et al. Kinetics of damage accumulation in a D16CH alloy during static loading
Caron et al. Coatings on Ti6Al4V as palliatives for fretting fatigue in cryogenic environment
Gdoutos et al. Indentation Testing