Открытый доступ Открытый доступ  Ограниченный доступ Платный доступ или доступ для подписчиков

Определение макротвердости титановых сплавов различного класса индентированием по методу Оливера и Фарра при малых нагрузках

А. А. Коренев, Ф. В. Водолазский, А. Г. Илларионов

Аннотация


Предложен и проверен экспериментально алгоритм определения макротвердости по данным измерения твердости при малых нагрузках (1 – 24 Н) по методу Оливера и Фарра биосовместимых титановых сплавов разных классов: Ti – 6 Al – 4 V, Ti – 14 Mo, Ti – 39 Nb – 5 Zr (масс. %). Показана возможность корректировки значений твердости исследуемых сплавов титана для исключения эффекта погружения, фиксируемого при индентировании с малыми нагрузками, и получения более точных результатов. Вывод уравнения Никса-Гао для закаленных титановых сплавов позволил определить значения твердости при малых нагрузках (3,09 ± 0,03 ГПа — сплав Ti – 6Al – 4V; 2,58 ± 0,04 ГПа — сплав Ti – 14Mo; 1,73 ± 0,03 ГПа — сплав Ti – 39Nb – 5Zr), которые соответствуют значениям макротвердости.


Ключевые слова


титановые сплавы; твердость; метод Оливера и Фарра; уравнение Никса и Гао

Полный текст:

PDF

Литература


Орешко Е. И., Уткин Д. А., Ерасов В. С., Ляхов А. А. Методы измерения твердости материалов (обзор) // Труды ВИАМ. 2020. Т. 85, № 1. С. 101 – 117.

Золоторевский В. С. Механические свойства металлов. Учебник для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. М.: МИСиС. 1998. 400 с.

Oliver W. C., Pharr G. M. Measurement of hardness and elastic modulus by instrumented indentation: Advances in understanding and refinements to methodology Pharr // J. Mater. Res. 2004. V. 19, № 1. P. 3 – 20.

Григорович В. К. Твердость и микротвердость металлов. М.: Наука, 1976. 230 с.

Pharr G. M., Herbert E. G., Gao Y. The indentation size effect: a critical examination of experimental observations and mechanistic interpretation // Annu. Ref. Mater. Res. 2010. V. 40. P. 271 – 292.

Nix W. D., Gao H. Indentation size effects in crystalline materials: a law for strain gradient plasticity // J. Meh. Phys. Solids. 1998. V. 46, No. 3. P. 411 – 425.

Bond T., Badmos A., Ahmed R. A. et al. Indentation size effects in aluminum and titanium alloys // Mater. Sci. Eng. A. 2022. V. 839. 142542.

Cai J., Li F., Liu T., Chen B. Microindentation study of Ti – 6Al – 4V alloy // Mater. Des. 2011. V. 32. P. 2756 – 2762.

Dong J., Li F., Wang C. Micromechanical behavior study of  phase with different morphologies of Ti – 6Al – 4V alloy by microindentation // Mater. Sci. Eng. A. 2013. V. 580. P. 105 – 113.

Ajaja J., Goldbaum D., Chromik R. R. Characterization of Ti cold spray coatings by indentation methods // Acta Astronaut. 2011. V. 69. P. 923 – 928.

Xiao G., Yang X., Qiu J. et al. Determination of power hardening elastoplastic constitutive relation of metals through indentation tests with plural indenters // Mech. Mater. 2019. V. 138. 103173.

Liu G., Ni S., Song M. Effect of indentation size and grain/ sub-grain size on microhardness of high purity tungsten // Trans. Nonferrous Met. Soc. China. 2015. V. 25. P. 3240 – 3246.

Giannakopoulos A. E., Suresh S. Determination of elastoplastic properties by instrumented sharp indentation // Scr. Mater. 1999. V. 40, No. 10. P. 1191 – 1198.

Şerban V.-A., Codrean C., Vodă M. et al. Correlation between yield stress and hardness of nickel – silicon – boron-based alloys by nanoindentation // Mater. Sci. Eng. A. 2014. V. 605. P. 294 – 300.

Illarionov A. G., Nezhdanov A. G., Stepanov S. I. et al. Structure, phase composition, and mechanical properties of biocompatible titanium alloys of different types // Phys. Met. Metallogr. 2020. V. 121, No. 4. P. 367 – 373.

Zhu P., Zhao Y., Agarwal S. et al. Toward accurate evaluation of bulk hardness from nanoindentation testing at low indent depths // Mater. Des. 2022. V. 213. 110317.

ГОСТ Р ИСО 6507-1 2007. Металлы и сплавы. Измерение твердости по Виккерсу. Часть 1: Метод измерения.

Цепелев А. Б. Пиковый модульный эффект при наноиндентировании сплава Fe – 20Cr // Физика и химия обработки материалов. 2019. № 6. C. 7 – 13.

Fan W., Peng Y., Wang Y. et al. Effect of grain boundary Widmanstätten  colony on the anisotropic tensile properties of directed energy deposited Ti – 6Al – 4V alloy // J. Mater. Sci. Technol. 2024. V. 184. P. 145 – 156.

Ismaeel A., Xu D., Li X. et al. Effect of texture on the mechanical and micromechanical properties of a dual-phase titanium alloy // J. Mater. Res. Technol. 2023. V. 27. P. 6833 – 6846.

Колачев Б. А., Ливанов В. А., Буханова А. А. Механические свойства титана и его сплавов. М.: Металлургия, 1974. 544 с.

Kalidindi S. R., Vachhani S. J. Mechanical characterization of grain boundaries using nanoindentation // Curr. Opin. Solid State Mater. Sci. 2014. V. 18. P. 196 – 204.

Marteleur M., Sun F., Gloriant T. et al. On the design of new -metastable titanium alloys with improved work hardening rate thanks to simultaneous TRIP and TWIP effects // Scr. Mater. 2012. V. 66. P. 749 – 752.

Huang X., Li J. S., Lai M. J. Influences of grain size on the deformation behavior of a twinning-induced plasticity metastable b titanium alloy // J. Alloys Compd. 2023. V. 937. 168274.

Zhao X., Niinomy M., Nakai M. et al. Beta type Ti – Mo alloys with changeable Young’s modulus for spinal fixation applications // Acta Biomater. 2012. V. 8. P. 1990 – 1997.

Pham H. Springer Handbook of Engineering Statistics. Second Edition // Springer London. 2023. P. 1136.




DOI: https://doi.org/10.30906/mitom.2025.1.56-63

© Издательский дом «Фолиум», 1998–2025