Analysis of elastic and elastoplastic models when interpreting nanoindentation results

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

One of the current and widely used non-destructive testing methods for monitoring and determining the elastic properties of materials is nanoindentation. In this case, to interpret the test results, a non-trivial task arises of constructing an adequate mathematical model of the indentation process. As a rule, in many cases, analytical formulas are used that are obtained from an elastic linear formulation of problems about the introduction of a non-deformable stamp into a homogeneous elastic half-space. Currently, the numerical formulation of the problem makes it possible to obtain and use a numerical solution obtained taking into account the complete plastic nonlinear behavior of the material. In this work, a study of contact problems on the introduction of a spherical and conical indenter into an elastoplastic homogeneous half-space was carried out. To verify the numerical solution, the problem of introducing a spherical and conical indenter into an elastic homogeneous half-space was also solved and compared with known analytical solutions. Issues of convergence and tuning of numerical methods, the influence of plasticity and the applicability of analytical solutions are explored. Problems are solved numerically using the finite element method in the Ansys Mechanical software package.

About the authors

Ivan A. Panfilov

Don State Technical University

ORCID iD: 0000-0002-0955-0282
Scopus Author ID: 54895938700
Russia, 344010, Rostov-on-Don, pl. Gagarina, 1

Sergey M. Aizikovich

Don State Technical University

ORCID iD: 0000-0002-2756-5752
Russia, 344010, Rostov-on-Don, pl. Gagarina, 1

Andrey S. Vasiliev

Don State Technical University

ORCID iD: 0000-0001-7844-1314
Russia, 344010, Rostov-on-Don, pl. Gagarina, 1

References

  1. Булычев С. И., Алехин В. П. Испытание материалов непрерывным вдавливанием индентора. Москва : Машиностроение, 1990. 224 с.
  2. Головин Ю. И. Наноиндентирование и его возможности. Москва : Машиностроение, 2009. 312 с.
  3. Field J. S., Swain M. V. A simple predictive model for spherical indentation // Journal of Materials Research. 1993. Vol. 8, iss. 2. P. 297–306. https://doi.org/10.1557/JMR.1993.0297
  4. 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, iss. 6. P. 1564–1583. https://doi.org/10.1557/JMR.1992.1564
  5. Hertz H. Ueber die Beruhrung fester elastischer Korper // Journal fur die reine und angewandte Mathematik. 1881. Bd. 92. S. 156–171. https://doi.org/10.1515/9783112342404-004
  6. Джонсон К. Л. Механика контактного взаимодействия. Москва : Мир, 1989. 510 с.
  7. Галин Л. А. Контактные задачи теории упругости. Москва : ГИТТЛ, 1953. 264 с.
  8. He L. H., Swain M. V. Nanoindentation derived stress-strain properties of dental materials // Dental Materials. 2007. Vol. 23, iss. 7. P. 814–821. https://doi.org/10.1016/j.dental.2006.06.017
  9. Потележко В. П., Филлипов А. П. Контактная задача для плиты, лежащей на упругом основании // Прикладная механика. 1967. Т. 3, вып. 1. С. 87–91.
  10. Ландау Л. Д., Лифшц Е. М. Теоретическая физика : в 10 т. Т. 7: Теория упругости : учеб. пособие. 4-е изд., исп. и доп. Москва : Наука, 1987. 248 с.
  11. Kral E. R., Komvopoulos K., Bogy D. B. Elastic-plastic finite element analysis of repeated indentation of a half-space by a rigid sphere // Journal of Applied Mechanics. 1993. Vol. 60, iss. 4. P. 829–841. https://doi.org/10.1115/1.2900991
  12. Механика контактных взаимодействий / под ред. И. И. Воровича, В. М. Александрова. Москва : Физматлит, 2001. 672 с.
  13. Dub S. N. Curves of elasto-plastic deformation of thin coatings obtained in depth-sensing indentation experiments // MRS Symposium Proceedings. 1998. Vol. 505. P. 223–228. https://doi.org/10.1557/PROC-505-223
  14. El-Sherbiney M. G. D., Halling J. The Hertzian contact of surfaces covered with metallic films // Wear. 1996. Vol. 40, iss. 3. P. 325–337. https://doi.org/10.1016/0043-1648(76)90124-1
  15. Pharr G. M., Oliver W. C. Measurement of thin film mechanical properties using nanoindentation // MRS Bulletin. 1992. Vol. 17. P. 28–33. https://doi.org/10.1557/S0883769400041634
  16. Айзикович С. М. Асимптотические решения контактных задач теории упругости для неоднородных по глубине сред // Прикладная математика и механика. 1982. Т. 46, вып. 1. С. 148–158.
  17. Васильев А. С., Волков С. С., Айзикович С. М. Приближенное аналитическое решение задачи о вдавливании проводящего штампа в электроупругое полупространство с неоднородным покрытием // Доклады Академии наук. 2018. Т. 478, № 1. С. 34–39. https://doi.org/10.7868/S0869565218010073, EDN: YNTRFR
  18. Волков С. С., Васильев А. С., Айзикович С. М., Селезнев Н. М., Леонтьева А. В. Напряженно-деформированное состояние упругого мягкого функционально-градиентного покрытия при внедрении сферического индентора // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2016. № 4. C. 20–34. https://doi.org/10.15593/perm.mech/2016.4.02, EDN: XSESAL
  19. Vasiliev A. S., Volkov S. S., Aizikovich S. M., Litvinenko A. N. Indentation of an elastic half-space reinforced with a functionally graded interlayer by a conical punch // Materials Physics and Mechanics. 2018. Vol. 40, iss. 2. P. 254–260. https://doi.org/10.18720/MPM.4022018_14, EDN: VPDWMG
  20. Vasiliev A. S., Volkov S. S., Aizikovich S. M. Indentation of an axisymmetric punch into an elastic transversely-isotropic half-space with functionally graded transversely-isotropic coating // Materials Physics and Mechanics. 2016. Vol. 28, iss. 1–2. P. 11–15. EDN: XCQJUT
  21. Sadyrin E., Vasiliev A., Volkov S. Mathematical modeling of experiment on Berkovich nanoindentation of ZrN coating on steel substrate // Acta Polytechnica CTU Proceedings. 2020. Vol. 27: Proceedings of the 14th International Conference on Local Mechanical Properties – LMP 2019. P. 18–21. https://doi.org/10.14311/APP.2020.27.0018
  22. Ovcharenko A., Halperin G., Verberne G., Etsion I. In situ investigation of the contact area in elastic-plastic spherical contact during loading-unloading // Tribology Letters. 2007. Vol. 25. P. 153–160. https://doi.org/10.1007/s11249-006-9164-y

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).