Instytut Nauki o Materiałach
Uniwersytet Śląski w Katowicach
ul. 75 Pułku Piechoty 1A, 41-500 Chorzów, tel. 32 349-75-15, e-mail: inom@us.edu.pl
Nazwa modułu: Biomateriały
Instrukcja do ćwiczenia nr 10
„
Badanie nanotwardości biomateriałów metalicznych
”
Wprowadzenie teoretyczne:
Odkształceniem (deformacją) ciała stałego nazywamy zmienię jego rozmiarów i objętości,
któremu zwykle towarzyszy zmiana kształtu. Odkształcenia mogą pojawić się na skutek
działających na ciało sił, zmiany temperatury lub z innych przyczyn prowadzących do
przemieszczenia cząstek ciała z początkowych pozycji równowagi w węzłach sieci krystalicznej.
W
odkształcanym ciele pojawiają się siły sprężyste równoważące siły zewnętrzne, które wywołują
odkształcenie. Mówimy, że odkształcenie jest sprężyste jeżeli zanika ono po ustaniu działania
wywołujących je sił zewnętrznych. Cząstki ciała powracają wówczas do swoich początkowych
pozycji równowagi. Podczas odkształcenia plastycznego następuje nieodwracalna przebudowa
sieci krystalicznej w wyniku czego nie odtwarz
a się początkowy kształt ciała. Naprężenie (σ) jest to
siła sprężysta przypadająca na jednostkę powierzchni. Miarą odkształcenia jest odkształcenie
względne (Δx/x), równe stosunkowi odkształcenia bezwzględnego do początkowej wartości
wielkości charakteryzującej kształt lub wymiar ciała. Zależność pomiędzy odkształceniem
względnym, a naprężeniem określa prawo Hook'a (wzór 1): odkształcenie ciała pod wpływem
działającej na nie siły jest wprost proporcjonalne do tej siły.
(1)
Prawo to pozostaje
prawdziwa tylko dla niezbyt dużych odkształceń, nie przekraczających tzw.
granicy Hooke'a
czyli granicy sprężystości.
Twardość można zdefiniować jako miarę oporu materiału przeciw odkształceniom trwałym
(plastycznym) powstającym wskutek wciskania wgłębnika. Twardość nie jest jedną ze stałych
charakteryzujących dany materiał jednakże dość ścisła korelacja między właściwościami
mechanicznymi metali (wytrzymałością no rozciąganie, sprężystością, właściwościami
plastycznymi) a twardością, co sprawia, że pomiary twardości znalazły szerokie zastosowanie
w
przemyśle np. w celu kontroli jakości materiałów. Większość metod badania twardości
materiałów polega na powolnym wciskaniu wgłębnika w materiał przy działaniu stałej lub
stopniowo wzrastającej siły do określonej wartości. Do najbardziej rozpowszechnionych należą
metody:
Brinella -
w badany materiał wciskana jest wgłębnik w postaci wypolerowanej kulki wyko-
nanej z węglików spiekanych o zadanej średnicy;
Vickersa -
w badany materiał wciskany jest foremny ostrosłup diamentowy o podstawie
kwadratowej i wierzchołkowym kącie między przeciwległymi ścianami równym 136°;
Rockwella -
metoda polega na dwustopniowym wciskaniu w badany materiał wgłębnika
w postaci diamentow
ego stożka o kącie wierzchołkowym 120° lub kulki wykonanej
z
węglików spiekanych o zadanej średnicy.
Twardość obliczana jest z odpowiednich zależności pomiędzy geometrycznym kształtem
powstałego odcisku na materiale, a przykładanej sile. Powierzchnia próbki poddanej badaniu
powinna być zatem płaska, gładka oraz oczyszczona ze wszelkich zanieczyszczeń oraz
odtłuszczona.
Instytut Nauki o Materiałach - Uniwersytet Śląski w Katowicach
Biomateriały, ćwiczenie nr 10
„Badanie nanotwardości biomateriałów metalicznych
”
str. 2
Metoda nanoindentacji
służy do badania i oceny reakcji mechanicznej małej objętości materiału
lub cienki
ch warstw na zastosowany nacisk wgłębnika, którego kształt można przybliżyć kulą
o
promieniu kilkuset bądź nawet kilkudziesięciu nanometrów. Wynik nanoindentacji najczęściej
przedstawiany jest w postaci krzywych zależności obciążenia (P) od głębokości wnikania (h) (patrz
rys.1). Korzystając z krzywej P(h) można wyznaczyć moduł Younga badanego materiału oraz jego
twardość. W zależności od przyłożonego obciążenia materiał odkształca się plastycznie, a na
krzywej P(h) obserwowane jest wgłębienie resztkowe oraz różnego typu osobliwości związane
z
powstawaniem dyslokacji bądź przemian fazowych indukowanych przyłożonym ciśnieniem.
W
zakresie sprężystości wyniki nanoindentacji opisać można za pomocą teorii Hertza kontaktu
dwóch sprężystych, jednorodnych i izotropowych ciał. Dla wgłębnika o kształcie kuli związek
pomiędzy obciążeniem, a głębokością wnikania określa następujący wzór:
(2)
gdzie: P -
obciążenie; E - moduł Younga; h - głębokość wnikania, a R - promień wgłębnika.
Rys. 1
. Przykładowy wygląd krzywej P(h) z zaznaczonym wgłębieniem maksymalnym
(h
max
), obciążeniem maksymalnym (P
max
) oraz wgłębieniem resztkowym (h
f
).
W przypadku odkształcenia plastycznego w celu wyznaczenia modułu Younga oraz wartości
twardości metoda jest analogiczna do makroskopowych metod wyznaczania twardości materiałów.
Znana musi być zależność powierzchni kontaktu indentera z próbką. Dla stosowanych kształtów
indentera zależności takie zostały dokładnie wyznaczone.
Cel ćwiczenia:
Celem
ćwiczenia jest analiza właściwości mechanicznych biomateriałów przed oraz po
procesie pasywacji oraz zapoznanie si
ę ze sposobem pomiaru mikrotwardości.
Spis wyposażenia (opis stanowiska pomiarowego):
Do pomi
arów użyty zostanie Triboindnter TI-900 firmy Hysitron pracujący w temperaturze
pokojowej. Indentacje
zostaną przeprowadzone za pomocą diamentowego wgłębnika o kształcie
piramidy Berkovicha (patrz rys.2). W pierwszym kroku, za pomocą mikroskopu optycznego,
wybierany jest obszar do przeprowadzenia indentacji. Indentacja polega na wolnym wciskaniu
w badany
materiał wgłębnika aż osiągnięte zostanie zadane obciążenia maksymalne, wytrzymaniu
obciążenia maksymalnego przez określony czas oraz na powolnym zwalnianiu obciążenia.
Podczas pomiaru rejestrowana jest siła działająca na wgłębnik oraz jego przemieszczenie.
Instytut Nauki o Materiałach - Uniwersytet Śląski w Katowicach
Biomateriały, ćwiczenie nr 10
„Badanie nanotwardości biomateriałów metalicznych
”
str. 3
Rys. 2. Przykładowy wygląd wgłębnika o kształcie piramidy Berkovicha oraz obraz
powierzchni materiału po dokonaniu indentacji takim wgłębnikiem.
Pomiary przeprowadzone zostaną na próbkach stali kwasoodpornej w stanie wyjściowym oraz
poddanej pasyw
acji. Przeprowadzony zostanie także pomiar na stopie NiTi.
Przebieg ćwiczenia:
1. Przygotowanie stanowiska pomiarowego
a.
Próbki z zadanego materiału zostaną umocowane do stolika nanondentera.
b.
Po dokonaniu kalibracji przyrządu przeprowadzone zostaną próbne indentacje w celu
określenia parametrów pracy przyrządu.
c.
Następnie z wykorzystaniem mikroskopu optycznego wybrany zostanie obszar do prze-
prowadzenia serii nanoindentacji.
d.
Zdefiniowane zostaną punkty do przeprowadzenia indentacji.
2.
Opracowanie wyników
a. Po dok
onaniu indentacji korzystając z programu komputerowego wyznaczone zostaną
moduły Younga oraz wartość twardości dla określonych miejsc na próbce.
b.
Zostanie przeprowadzona graficzna analiza uzyskanych wyników.
Opracowanie wyników i sprawozdanie:
1.
Przygotować zwięzły opis zagadnień teoretycznych.
2.
Opisać przebieg przeprowadzonego ćwiczenia.
3.
Zamieścić wykres krzywych P(h).
4.
Zaznaczyć charakterystyczne punkty na wykresie.
5.
Wyznaczyć wartość wgłębienia maksymalnego oraz resztkowego dla każdego pomiaru oraz
wartość średnią i odchylenie standardowe
6.
Obliczyć wartość średnią oraz odchylenia standardowe dla moduły Younga i twardości bada-
nych materiałów.
7.
Przedstawić wnioski, przedyskutować uzyskane wyniki.
Spis zagadnień do przygotowania:
Odkszta
łcenie, sprężystość, plastyczność
Prawo Hook'a
Twardo
ść i sposoby jej pomiaru
Literatura uzupełniająca:
1. Dariusz Chrobak
„Metoda nanoindentacji w badaniach procesów odkształcania plastyczne-
go półprzewodników”, Wyd. Uniwersytetu Śląskiego, 2012.
2. Andrzej Ciszewski, Tadeusz Radomski, Andrzej Szummer
„Ćwiczenia laboratoryjne z mate-
riałoznawstwa”, Wyd. Politechniki Warszawskiej, 2006.
3.
B.M. Jaworski, A.A. Dietłaf „Fizyka - poradnik encyklopedyczny" wyd. PWN, 2002.