Estimation of mechanical characteristics of salt rock crystals based on the mathematical model of nanoindentation using scanning probe microscope Dimension Icon


Cite item

Full Text

Abstract

The scanning probe microscope Dimension Icon is used both to assess the relief of the sample surface and to obtain the force response of the sample during the interaction of the cantilever (indenter of special shape, located at the end of the elastic console) with the sample surface. At the same time, unlike other devices, such as NanoTest-600, where as a result of indentation the researcher receives the value of hardness and effective modulus of elasticity with the help of software connected with this device. Dimension Icon gives only the dependence of indenter deviation on the displacement of the cantilever base. For the known flexural stiffness of the elastic console, one can determine the force-displacement curve during loading and unloading. Then here comes the problem of interpretation of this curve: how can we evaluate the mechanical characteristics of the material on its basis? The answer to this question particularly depends on the character of the mechanical behavior of the material. We consider the two-dimensional axisymmetric problem of sample indentation at the stages of loading and unloading for the range of indentation depths significantly exceeding the head spherical part of the cantilever probe, under the assumption of elastic-perfectly-plastic material model. Numerical simulation is carried out in the ANSYS package within the framework of the contact problem, under the assumption of an absolutely rigid cantilever tip. We propose the method for estimating the yield stress and the modulus of elasticity of the sample surface layers and determine the values of mechanical characteristics for several salt rock crystals by processing the results of the computational experiment and the data of previous experiments.

About the authors

Valery Nagimovich Aptukov

Perm State National Research University

Email: aptukov@psu.ru
Doctor of technical sciences, Professor 15, Bukireva st., Perm, 614000, Russian Federation

Victor Yurievich Mitin

Perm State National Research University

Email: victormitin@ya.ru
without scientific degree, no status 15, Bukireva st., Perm, 614000, Russian Federation

References

  1. Барях А. А., Константинова С.А., Асанов В. А., Деформирование соляных пород, УрО РАН, Екатеринбург, 1966, 203 с.
  2. Константинова С. А., Чернопазов С. А., "Развитие наследственной модели деформирования и разрушения соляных пород", ФТПРПИ, 2004, № 1, 50-61
  3. Константинова С. А., Аптуков В. Н., Некоторые задачи механики деформирования и разрушения соляных пород, Наука, Новосибирск, 2013, 192 с.
  4. Соловьев В. А., Аптуков В. Н., Ваулина И. Б., Поддержание горных выработок в породах соленосной толщи: теория и практика, Наука, Новосибирск, 2017, 264 с.
  5. Ставрогин А. Н., Протосеня А. Г., Механика деформирования и разрушения горных пород, Недра, М., 1992, 264 с.
  6. Карташов Ю. М., Матвеев Б. В, Михеев Г. В, Фадеев А. Б., Прочность и деформируемость горных пород, Недра, М., 1979, 269 с.
  7. Зильбершмидт В. Г., Зильбершмидт В. В., Наймарк О. Б., Разрушение соляных пород, Наука, М., 1992, 144 с.
  8. Проскуряков Н. М., Пермяков Р. С., Черников А. К., Физико-механические свойства соляных пород, Недра, Л., 1973, 272 с.
  9. Суслов А. А., Чижик С. А., "Сканирующие зондовые микроскопы (обзор)", Материалы. Технологии. Инструменты, 2:3 (1997), 78-89
  10. Mironov V. L., Fundamentals of scanning probe microscopy, Nizhniy Novgorod, 2004, 97 pp.
  11. Sarid D., Scanning force microscopy with applications to electric, magnetic and atomic forces, Oxford University Press, New York, 1994
  12. Oliver W. C., Pharr G. M., "An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments", J. Mater. Res., 7:6 (1992), 1564-1583
  13. Oliver W. C., Pharr G. M., "Measurement of hardness and elastic modulus by instrumented indentation: Advances in understanding and refinements to methodology", J. Mater. Res., 19:1 (2004), 3-20
  14. Fischer-Cripps A. C., Nanoindentation, Mechanical Engineering Series, Springer-Verlag, New York, 2004, xxii+264 pp
  15. Аптуков В.Н., Митин В. Ю., "Фрактальные и механические свойства кристаллов сильвина и галита в микро- и нанодиапазоне", Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки, 21:3 (2017), 481-495
  16. Menčík J. A., Munz D., Quandt E., Weppelman R., "Determination of elastic modulus of thin layers using nanoindentation", Meccanica, 42:1 (2007), 19-29
  17. Sun Y., Zheng S., Bell T., "Indenter tip radius and load frame compliance calibration using nanoindentation load curves", Philosophical Magazine Letter, 79:9 (2007), 649-658
  18. Panich N., Yong S., "Improved method to determine the hardness and elastic moduli using nano-indentation", KMITL Science Journal, 5:2 (2005), 483-492
  19. Головин Ю. И., "Наноиндентирование как средство комплексной оценки физико-механических свойств материалов в субмикрообъемах (обзор)", Заводская лаборатория. Диагностика материалов, 2009, № 1, 45-59
  20. Гаришин О. К., "Моделирование взаимодействия зонда атомно-силового микроскопа с полимерной поверхностью с учетом сил Ван-дер-Ваальса и поверхностного натяжения", Наносистемы: физика, химия, математика, 2:3 (2012), 47-54
  21. Морозов И. А., Ужегова Н. И., "Определение механических свойств материалов на основе моделей взаимодействия зонда атомно-силового микроскопа с поверхностью образцов", Вычислительная механика сплошных сред, 7:4 (2014), 385-397
  22. Седов Л. И., Методы подобия и размерности в механике, Наука, М., 1977, 203 с.
  23. Аптуков В. Н., Митин В. Ю., Молоштанова Н. Е., Морозов И. А., "Механические характеристики карналлита, шпатовой соли и сильвинита в нанодиапазоне", ФТПРПИ, 2013, № 3, 49-56
  24. Аптуков В. Н., Константинова С. А., Скачков А. П., "Механические свойства карналлита, сильвинита и каменной соли Верхнекамского месторождения", ФТПРПИ, 2010, № 4, 13-20
  25. Аптуков В. Н., Митин В. Ю., "Механические и фрактальные свойства поверхности кристаллов соляных пород в нанодиапазоне и их влияние на трещиностойкость и смачиваемость", ФТПРПИ, 2016, № 4, 29-38

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2019 Samara State Technical University

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

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».