ГОСТ Р 56232—2014
Приложение А
(справочное)
Обзор методик интерпретации диаграмм вдавливания
Инструментальное индентирование является в настоящее время одним из наиболее перспективных не
разрушающих способов беэобразцоеой оценки механических свойств металлов и их сплавов. Метод позволяет
получить, в отличив от традиционных методов твердости, зависимость изменения напряжений и деформаций в
зоне отпечатка от малых упруго-пластических до больших приведенных пластических деформаций и по ней оце
нить характеристики прочности, получаемые при одноосном растяжении образцов.
Первые попытки определения механических свойств путем вдавливания жесткого индентора были сдела
ны в конце 19-го - начале 20-го веков. Бринелль разработал метод измерения твердости вдавливания шара при
постоянной нагрузке, впоследствии получивший его имя. В процессе своих экспериментов Бринелль заметил,
что твердость примерно в 3 раза больше временного сопротивления для большинства конструкционных сталей
[
10
].
Впоследствии вопрос о возможности нахождения временного сопротивления материала по его твердости
исследовалась многими авторами и даже была внесена в международный стандарт [11] для широкого класса
сталей, а также в отечественный стандарт ГОСТ 22761 для конструкционных сталей перлитного класса. Однако,
как был отмечено в [12]. возможность распространения такого подхода на другие механические свойства являет ся
проблематичной.
Развитием метода Бринелля является метод последовательного вдавливания шарового индентора. В
1908 Мейер [13] ввел альтернативное понятие твердости, где сила относится не ко всей поверхности лунки, как у
Бринелля, а к площади проекции отпечатка на горизонтальную плоскость и показал, что определенная
таким образом твердость (твердость по Мейеру) с увеличением глубины вдавливания ведет себя как
некоторая сте пень от диаметр лунки, причем, значение этой степени (получившей позднее название «индекс
Мейера*) близок по значению к показателю степени упрочнения материала. После этого многие ученые
работали над задачей получения механических свойств по характеристикам твердости. Наиболее значимый
вклад в этом направлении был сделан Д. Тейбором [2] и М.П. Марковцом [6].
В 1951 Тэйбор [2] показал, что по результатам испытаний с последовательно увеличивающейся глубиной
вдавливания шара для широкого класса материалов может быть восстановлена диаграмма «напряжение - де
формация». Твердость по Мейеру оказывается при этом пропорциональна напряжению в некоторой точке на
кривой «напряжение - деформация», получаемой при испытании материала методом одноосного растяжения.
Коэффициент пропорциональности (получившим название коэффициента относительного давления) оказался
близким к значению 3. В [2] предложена также формула для нахождения соответствующего такой точке значения
эффективной деформации (16). Альтернативные формулы нахождения эффективной деформации под инденто-
ром в дальнейшем предлагались различными авторами [16]. [14]. [20]. но формула Тэйбора используется наибо
лее часто. В работах Марша [15] и Джонсона [3] было отмечено, что коэффициент относительного давления
можно считать постоянным только после достижения режима развитой пластичности, а в промежуточной облас ти
между режимом упругости и режимом развитой пластичности он изменяется как линейная функция логарифма
отпечатка. В целом, подход, связанный с именем Тейбора хорошо себя зарекомендовал, но сам метод, осно
ванный на оптическом измерении последовательно изменяющихся отпечатков оказался слишком трудоемким и не
пригоден для практического использования.
Выходом из сложившейся ситуации является непрерывное измерение глубины и сипы вдавливания ин
дентора. Первая такая диаграмма была записана Мартенсом [16]. Развитие этот метод получил в конце XX века с
появлением компьютеров, позволяющих записывать диаграммы вдавливания. Новый метод, основанный на
записи кинетической диаграммы вдавливания позволил исключить субъективизм при измерении отпечатка, пре
доставил значительно больше фактической информации о процессе локальной упруго-пластической деформа
ции и обеспечил полный контроль за процессом испытания, приблизив его к образцовым испытаниям на одноос ное
растяжение. Результатом многочисленных исследований с использованием кинетической диаграммы, среди
которых следует отметить статьи Булычева [17]. Оливера и Фарра [5] и Хагтага [18] является создание междуна
родного стандарта [19] (которому соответствует отечественный стандарт ГОСТ Р 8.748). где этот метод получил
наименование «метод инструментального индентирования». В этом стандарте прописана процедура проведе ния
испытаний на вдавливание основных типов инденторов. а также описаны методики нахождения характери стик
упругости, твердости и индентационной ползучести материалов.
Важной особенностью метода инструментального индентирования является то. что он позволяет оцени
вать изменение диаметра области контакта под индентором.
Это позволяет отказаться от множественных оптических измерений, характерных для подхода Тэйбора, и
ограничиться анализом диаграммы вдавливания. С середины 80-х годов XX века этому вопросу были посвящены
многие исследования. В первую очередь нужно отметить работы исследовательских групп [18]. [20], [21], соз
давших и внедривших оригинальное оборудование для проведения испытаний, и накопивших богатый экспери
ментальный материал. Также следует отметить исследования, проведенные в работах [7]. [22], [23]. [24].
Унификация методик обработки диаграмм вдавливания может быть проведена на основе подхода Тэйбо
ра и ГОСТ Р 8.748. При этом дополнительно следует учесть следующие два важных эффекта: ползучесть инден-
тирования и образование наплыва при индентировании. Эти эффекты слабо сказываются при оптическом изме
рении отпечатков и значимо влияют при измерении по глубине.
16