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

The active application in the practice of testing the indentation methods, in particular to measure the physical and mechanical properties of metals, polymers, biological technologies demands to development techniques for the measurement error estimation. At the same time existing traditional measurement error evaluation system, based on the using of the reference blocks, is not always suitable for use in testing and research laboratories. The aim of this work was development the technique for estimating the indirect measurements error of materials physical and mechanical characteristics that can be applied in practice and based on the existing standards. Checking of the proposed approach using the experimental values of the hardness and elastic modulus obtained during static indentation for various metals.It is shown that since the initial information about the material is an indentation curve representing the dependence of the load versus penetration depth of the indenter into the material tested, then it is better to confirm the metrological characteristics of the indentation measuring devices using the applied force and achieved displacement, but to estimate the accuracy of determining the properties through the error of indirect measurements. The equations for calculating the hardness and modulus of elasticity are derived. It allows to determine the component value most influencing the error magnitude. The calculation of error on the base of the value of boundary of a random and non-exclusive systematic error was carrying out.The advantage of the developed technique is the fact that the measurement of the physical and mechanical characteristics is based on the experimental data and does not require the creation of the additional metrological assurance. The proposed approach seems appropriate to extend for the determination of the measurement error of other characteristics: the yield point, the strain hardening exponent, creep, relaxation, determined by the indentation methods.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

Влияние толщины отверждаемого слоя фотополимерной смолы при SLA-технологии печати на упругие и прочностные характеристики полимерных изделий аддитивного производства

The possibility of using dynamic indentation method for measurement the elastic and strength properties of polymer products obtained by additive synthesis using the SLA-technology is considered. The sensitivity of the method to changes in hardness, tensile strength, and elastic modulus of products obtained by different printing modes with a thickness of the cured layer of photopolymer resin of 100, 50, and 25 microns has been estimated. A comparison is made of two main methods for calculating the physical and mechanical characteristics of a material according to the data of its impact loading diagram: an adapted classical method of mechanics of contact interaction, considering the geometric parameters of the deformed region of the material, and a method based on the energy characteristics of shock interaction. It was found that the highest sensitivity of the dynamic indentation method to changes in the properties of the additive polymer, depending on the thickness of its hardened layer, is provided when using an energy computational model for evaluating the properties of the material. The results obtained are the basis for the methods of non-destructive testing of polymer products of additive manufacturing by the method of dynamic indentation. The implementation of these techniques in portable measuring equipment is an alternative to standard destructive tests and will allow obtaining reliable data on the properties of the controlled material without the need to manufacture special witness samples.Рассмотрена возможность контроля методом динамического индентирования упругих и прочностных свойств полимерных изделий, полученных путем аддитивного синтеза по SLA-технологии. Выполнена оценка чувствительности метода к изменению твердости, предела прочности и модуля упругости изделий, выращенных по различным режимам печати с толщиной отверждаемого слоя фотополимерной смолы в 100, 50 и 25 мкм. Проведено сравнение двух основных методик расчета физико-механических характеристик материала по данным диаграммы его ударного нагружения: адаптированной классической методики механики контактного взаимодействия, рассматривающей геометрические параметры деформированной области материала, и методики на основе энергетических характеристик ударного взаимодействия. Установлено, что наибольшая чувствительность метода динамического индентирования к изменению свойств аддитивного полимера в зависимости от толщины его отверждаемого слоя обеспечивается при использовании энергетической расчетной модели оценки свойств материала. Полученные результаты – основа методик неразрушающего контроля полимерных изделий аддитивного производства методом динамического индентирования. Реализация данных методик в портативной измерительной технике является альтернативой стандартным разрушающим испытаниям и позволит получить достоверные данные о свойствах контролируемого материала без необходимости изготовления специальных образцов-свидетелей

Оценка погрешности косвенных измерений физико-механических характеристик материалов методом динамического индентирования

The metrological problems of measuring the physic and mechanical characteristics of materials by dynamic indentation are considered. It is shown that the estimation of measurement error demanding the creation of the reference blocks is ineffective due to the wide variety of controlled materials and a wide range of changes in their properties. A technique has been developed for evaluating the accuracy of measurements based on the errors of individual parameters included in the calculation equation, i.e. by determining the error of indirect measurements. The technique is based on the estimation of the boundaries of the random error of the measured characteristics of the material and the non-excluded systematic errors of the parameters that are used for the calculations of needed characteristics. The results of experimental studies are presented, indicating that due to the different character of the dependencies of hardness and elastic modulus, the error in measuring the elastic modulus exceeds the error in measuring hardness. In addition, it was found that the error in measuring the characteristics of materials by the dynamic indentation method exceeds the measurement error by the static indentation method and can be reduced by increasing the accuracy of the equipment used for the registration of impact process. The obtained values of the physic and mechanical characteristics of the materials and the values of the measurement error show that the dynamic indentation method can effectively solve the problem of non-destructive testing of hardness, elastic modulus, and strain hardening exponent of metals and products with an appropriate error.Рассмотрены вопросы метрологического обеспечения при измерении физико-механических характеристик конструкционных материалов методом динамического индентирования. Показано, что оценка погрешности измерений с помощью мер является неэффективной по причине большого разнообразия контролируемых материалов и широкого диапазона изменения их свойств. Разработана методика оценки точности измерений на основании погрешностей отдельных составляющих, которые входят в расчетную формулу, то есть путем определения погрешности косвенных измерений. В основе методики лежит оценка границ случайной погрешности измеряемых характеристик материала и неисключенных систематических погрешностей параметров, по которым рассчитываются искомые характеристики. Приведены результаты экспериментальных исследований, свидетельствующие о том, что в связи с различным характером зависимостей твердости и модуля упругости от регистрируемых параметров индентирования погрешность измерения модуля упругости превышает погрешность измерения твердости. Кроме того, установлено, что погрешность измерения характеристик материалов методом динамического индентирования превышает погрешность измерения методом статического индентирования и может быть уменьшена путем использования более точного оборудования для регистрации процесса испытательного удара. Полученные значения физико-механических характеристик материалов и погрешности их измерения свидетельствуют о том, что метод динамического индентирования позволяет эффективно решать задачу неразрушающего контроля твердости, модуля упругости и коэффициента деформационного упрочнения металлических конструкций и изделий с заданной погрешностью

Применение метода дифракции рентгеновских лучей для изучения напряжённого состояния поверхности металла при статическом и ударном деформировании

Study of the stress field in a plastic imprint and around it is of great practical importance. Processes similar to indentation are used in shot blasting to harden the surface of materials and generate compressive stresses in the surface layers. The purpose of this work was to study the change in the stress-strain state in the area of the plastic imprint with increasing load, in the transition from small to large deformations, as well as to study the change in stress at different strain rates.X-ray diffraction method was used to study the field of residual stresses generated on the surface of a plastically deformed region – in the zone of an imprint formed when a spherical indenter is pressed into the metal. An analysis of the change in the stress distribution with increasing load in the range of plastic imprint depths of 10–60 µm for steels and aluminum was made. Influence of the loading rate on the change in the values of residual stresses under normal contact of colliding bodies was studied. It is shown that the stress distribution has a complex character with areas of compression and tension of the metal and is determined by the ratio of the indentation depth to its diameter.The obtained experimental data make it possible to determine the choice of optimal modes of shot blasting, including for increasing the endurance limit of products.Изучение поля напряжений в пластическом отпечатке и вокруг него имеет большое прикладное значение. Процессы, подобные вдавливанию индентора, используются при дробеструйной обработке для упрочнения поверхности материалов и генерации сжимающих напряжений в поверхностных слоях. Целью работы являлось изучение изменения напряжённо-деформированного состояния в области пластического отпечатка при увеличении нагрузки, при переходе от малых деформаций к большим, а также изменения напряжения при различных скоростях деформации.Методом дифракции рентгеновских лучей изучено поле остаточных напряжений, сгенерированных на поверхности пластически деформированной области – в зоне отпечатка, образующегося при вдавливании в металл сферического индентора. Проанализировано изменение распределения напряжений при увеличении нагрузки в диапазоне глубин пластического отпечатка 10–60 мкм для сталей и алюминия. Изучено влияние скорости нагружения, при нормальном контакте соударяющихся тел, на изменение значений остаточных напряжений. Показано, что распределение напряжений имеет сложный характер с областями сжатия и растяжения металла и определяется соотношением глубины отпечатка к его диаметру.Полученные экспериментальные данные позволяют определять выбор оптимальных режимов дробеструйной обработки, в том числе для повышения предела выносливости изделий

Error estimation of the physical and mechanical characteristics measurements by indentation

The active application in the practice of testing the indentation methods, in particular to measure the physical and mechanical properties of metals, polymers, biological technologies demands to development techniques for the measurement error estimation. At the same time existing traditional measurement error evaluation system, based on the using of the reference blocks, is not always suitable for use in testing and research laboratories. The aim of this work was development the technique for estimating the indirect measurements error of materials physical and mechanical characteristics that can be applied in practice and based on the existing standards. Checking of the proposed approach using the experimental values of the hardness and elastic modulus obtained during static indentation for various metals.It is shown that since the initial information about the material is an indentation curve representing the dependence of the load versus penetration depth of the indenter into the material tested, then it is better to confirm the metrological characteristics of the indentation measuring devices using the applied force and achieved displacement, but to estimate the accuracy of determining the properties through the error of indirect measurements. The equations for calculating the hardness and modulus of elasticity are derived. It allows to determine the component value most influencing the error magnitude. The calculation of error on the base of the value of boundary of a random and non-exclusive systematic error was carrying out.The advantage of the developed technique is the fact that the measurement of the physical and mechanical characteristics is based on the experimental data and does not require the creation of the additional metrological assurance. The proposed approach seems appropriate to extend for the determination of the measurement error of other characteristics: the yield point, the strain hardening exponent, creep, relaxation, determined by the indentation methods