Оценка погрешности определения физико-механических характеристик материалов при их контроле методом индентирования

Активное внедрение в практику контроля методов индентирования, в частности для измерения физико-механических характеристик металлов, полимеров, биологических тканей требует разработки методик оценки погрешности получаемых результатов. При этом сложившаяся традиционная система оценки погрешности с применением мер не всегда пригодна для использования в испытательных и научно-исследовательских лабораториях. Целью данной работы являлась разработка применимой на практике и опирающейся на отечественную нормативную базу методики оценки погрешности косвенных измерений физико-механических характеристик материалов и проверка предлагаемого подхода с использованием экспериментальных значений твердости и модуля упругости, полученных при статическом индентировании для различных металлов.
Показано, что поскольку первичным источником информации о материале является диаграмма вдавливания, представляющая собой зависимость нагрузки от глубины внедрения индентора в исследуемый материал, то подтверждение метрологических характеристик измерительной техники, использующейся для индентирования, лучше осуществлять по параметрам развиваемого усилия и перемещения, а точность определения свойств оценивать через погрешность косвенных измерений. Приведены основные формулы для расчета твердости и модуля упругости, позволяющие установить величины, наибольшим образом влияющие на величину погрешности. Расчет погрешности проведен на основе определяемых границ случайной и неисключенной систематической погрешности.
Достоинством разработанной методики является тот факт, что оценка точности измерений физико-механических характеристик производится на основании экспериментальных данных и не требует создания дополнительного метрологического обеспечения. Предложенный подход представляется целесообразным распространить на определение погрешности других характеристик: предела текучести, показателя деформационного упрочнения, ползучести, релаксации, определяемых методами индентирования.

1. Argatov I. Indentation Testing of Biological Material. Springer, 2018, 376 p. https://doi.org/10.1007/978-3-319-78533-2

2. Herrmann K. Hardness Testing: Principles and Applications, ASM International Publ., 2011, 225 p.

3. Abetkovskaia S.O., Chizhik S.A., Rudnitsky V.A., Kren A.P. Evaluation of viscoelastic properties of materials by nanoindentation. Journal of Friction and Wear, 2010, vol. 31, issue 3, rr. 180-183. https://doi.org/10.3103/S106836661

4. Fischer-Cripps Anthony C. Nanoindentation. Springer Science and Business Media, 2004, 264 p. https://doi.org/10.1007/978-1-4757-5943-3

5. Kren A.P., Protasenya T.A. Determination of the physic and mechanical characteristics of isotropic pyrolytic graphite by dynamic indentation method. Russian Journal of Nondestructive Testing, 2014, vol. 50, no. 7, pp. 419- 425. https://doi.org/10.1134/S1061830914070079

6. 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, issue 6, pp. 1564-1583. https://doi.org/10.1557/JMR.1992.1564

7. N'Jock M.Y., Roudet F., Idriss M., Bartier O., Chicot D. Work-of-indentation coupled to contact stiffness for calculating elastic modulus by instrumented indentation. Mechanics of Materials, 2016, vol. 94, pp. 170-179. https://doi.org/10.1016/j.mechmat.2015.12.003

8. Koster W., Franz H. Poisson's ratio for metals and alloys. Metallurgical reviews, 1961, vol. 6, pp. 1-56. https://doi.org/10.1179/mtlr.1961.6.1.1

9. Lee H.M., Lee W.J. Poisson's ratio of pure metals and their non-metallic compounds. Scripta Metallurgica et Materialia, 1991, vol. 25, issue 4, pp. 965-968. https://doi.org/10.1016/0956-716X(91)90258-3