Tvrdost, mikrotvrdost, nanotvrdost - čisté kovy měřené metodou DSI

Mgr. Jiří Dušek, Ph.D.

Doctoral thesis

Haardness, microhardness, nanohardness - pure metals measured by DSI method

Abstract:

Během několika málo let bylo dosaženo významných úspěchů nejen v oblasti fyziky zabývající se povrchovými vlastnostmi kovů a jejich slitin, ale také v oblasti nových metod přípravy povlaků a tenkých vrstev stejně jako kovových kompozitů a keramických materiálů konstrukčních částí. Nové metody tak umožňují značně modifikovat vlastnosti materiálů a tak umožňují rozšíření jejich použitelnosti zejména v technologických oblastech, kde rozhodující úlohu hrají povrchové vlastnosti. Kvalita povrchu má významný dopad na použitelnosti konstrukční součásti a to zejména tam, kde je nutné dosáhnout zvýšené odolnosti proti oxidaci a korozi, třecích charakteristik, nebo fyzikálních vlastností součásti, jako např. v elektronice, optice atd. Povrch konstrukční součásti má často rozhodující vliv na její celkovou životnost zejména při jejím cyklickém zatěžování. Velký význam povrchů a povlaků na kovech je vyjádřen mnoha teoretickými a praktickými pracemi, což charakterizuje nový technologický obor – povrchové inženýrství. Velká část vědeckých prací se zabývá studiem struktury fyzikálně čistých povrchů, ale také vlastnostmi konvenčně vyrobených povrchů a možnostmi jejich zdokonalení. V současné době existuje mnoho navzájem se lišících metod přípravy tenkých vrstev a lze v literatuře nalézt i spoustu monografií, pojednávajících o přípravě tenkých vrstev i jejich vlastnostech. Dostupné monografie a publikace se však zabývají velmi úzkým tématem a s rostoucím množstvím znalostí tak vyvstává potřeba uceleného a přehledného zpracování se zaměřením na mechanické vlastnosti povrchů. V předložené práci se autor snaží o ucelený přehled tvrdosti, mikrotvrdosti, nanotvrdosti a vlivů na její zjištěné hodnoty se zvláštním důrazem na novou metodu DSI (Depth Sensing Indentation). Experimentální část se podrobně zabývá hodnocením plastické mikrotvrdosti některých čistých neželezných kovů z hlediska vlivu přípravy vzorků. Průběh plastické mikrotvrdosti v závislosti na maximálním zatížení je hodnocen z hlediska projevu ISE (Indentation Size Effect) u jednotlivých čistých kovů. V závěru práce je podáno jednoduché kvalitativní vysvětlení některých příčin ISE. Závislost plastické mikrotvrdosti na maximálním zatížení byla prokládána dvěma křivkami. Získaná data z fitování závislosti slouží k možné predikci makrotvrdosti. Predikované hodnoty jsou porovnány s hodnotami makrotvrdosti uvedených v tabulkách.

Abstract:

During the last years, important progress has been achieved not only in the field of solid state physics. The surface improvements of metals and alloys as well as new methods of preparing coatings of metallic compound and ceramic materials on structural parts and tools are the main interest of many researchers. The new methods considerably modify properties of basic materials as well as possibilities of their use in technology, particularly in the cases where the surface characteristics are of decisive importance. Quality of surface has significant incidence of its use especially when it is necessary to achieve an increased resistance to the oxidation or corrosion, improved friction characteristics or physical properties of materials in the electronics, optics, etc. The surface properties of structural part are also of a governing importance in the case of cyclic loading. The brand new field of technology called surface engineering indicates the great importance of surface properties of metals. A great part of research works deals with studying physicall surfaces but also with properties of common surfaces of structural materials. A number of monographs have been published however these are rather of a narrow focus; therefore a comprehensive study of mechanical properties of surface layer of pure metals is still missing. The author of the current work summarizes in a comprehensive way the knowledge of macrohardness, microhardness and nanohardness. The objective of the work is an analytical description of new DSI (Depth Sensing Indentation) method, which is base of contemporary indentation testing. The work deals with ISE (Indentation Size Effect), which typically occurs in the field of micro and nano testing. In an experimental part of this work are presented the measured values of plastic microhardness in dependence on maximal load and penetration depth. Measured samples were selected nonferrous pure metals. The secondary goal is to determine the influence of the condition of pure metals surface on the measured plastic microhardness. The dependence of plastic microhardness vs. maximal load of all measured metals was evaluated in terms of occurrence of ISE. Values of plastic microhardness vs. maximal load were smoothed by two curves. Data obtained from fitting dependence serve for possible prediction of macrohardness. Predicted values of macrohardness were compared with values of macrohardness obtained from tabular data.

Keywords

tvrdost, mikrotvrdost, nanotvrdost, mechanické vlastnosti, kontaktní mechanika, DSI, ISE, čisté neželezné kovy hardness, microhardness, nanohardness, mechanical properties, contact mechanics, pure nonferrous metals

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 4. 11. 2008

Thesis defence

• Date of defence: 5. 12. 2008
• Supervisor: prof. RNDr. Vladislav Navrátil, CSc.
• Reader: doc. RNDr. Petr Sládek, CSc., doc. Ing. Olga Bláhová, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics (4-years) / Mechanical Behavior of Materials