СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОДУЛЯ УПРУГОСТИ ЮНГА МАТЕРИАЛА МИКРО- И НАНОЧАСТИЦ
METHOD FOR YOUNG'S MODULUS DETERMINATION FOR MICRO- AND NANOPARTICLE MATERIAL

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.
эксп
МОФ
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 h. Определяют модуль упругости по методике Оливера-Фарра E.
МКЭ
МКЭ
эксп
МКЭ
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 h; строится кривая зависимости Ε(Δh), где Δh=h-h; на основании полученной зависимости Ε(Δh) с помощью аппроксимации при Δh=0 находим значение модуля упругости F.
МОФ
МКЭ
частицы
МОФ
МКЭ
Этап вычисления модуля упругости основан на сравнении значения модуля упругости, полученного экспериментальным методом индентирования, с использованием методики Оливера-Фарра Е со значением, полученным из этапа численных исследований методом конечных элементов Е, при одинаковом значении нагрузки F. Определяется среднее арифметическое значение модуля упругости исследуемой частицы Е=(Е+Е)/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.
МКЭ
На фиг. 2 представлена зависимость Ε(Δh), для нагрузки индентирования 1 мН. Модуль упругости частицы Е определяют при Δh=0.
МКЭ
МОФ
10
10
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 Е=5.1*10 Па, при нагрузке индентирования F=1 мН. Отличием от решения принятого за прототип является то, что определяют модуль упругости частицы по методике Оливера-Фарра Е=5.4*10 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.