In this work, indentation theory of Lee $et al.^{(1)}$ for 6% indentation of indenter diameter is extended to an indentation theory for 20% indentation. For shallow indentation, the effect of friction on load-depth curve is negligible, but different materials can show nearly identical load-depth curves. On the basis of this observation, a new numerical approach to deep indentation techniques is proposed by examining the finite element solutions. With this new approach, from the load-depth curve, we obtain stress-strain curve and the values of Young's modulus, yield strength and strain-hardening exponent with an average error of less than 3%.
Residual stress is a dominant obstacle to efficient production and safe usage of device by deteriorating the mechanical strength and failure properties. Therefore, we proposed a new thin film stress-analyzing technique using a nanoindentation method. For this aim, the shape change in the indentation load-depth curve during the stress-relief in film was theoretically modeled. The change in indentation depth by load-controlled stress relaxation process was related to the increase or decrease in the applied load using the elastic flat punch theory. Finally, the residual stress in thin film was calculated from the changed applied load based on the equivalent stress interaction model. The evaluated stresses for diamond-like carbon films from this nanoindentation analysis were consistent with the results from the conventional curvature method.
UV imprinting process can manufacture high-functional optical components with low cost. If hard polymers can be used as transparent molds at this process, the cost will be much lower. However, there are limited researches to predict the machinability and the burr of hard polymers. Therefore, a new method to predict them by analyzing load-depth curves which can be obtained by the instrumented indentation test was developed in this study. The load-depth curve contains elastic deformation and plastic deformation simultaneously. The ratio of the plastic deformation over the sum of the two deformation is proportional to the ductility of materials which is one of the parameters of the machinability and the burr. The instrumented indentation tests were performed on the transparent molds of the hard polymers and the values of ratio were calculated. The machinability and the burr of three kinds of hard polymers were predicted by the ratio, and the prediction was in agreement with the experimental results from the machined surfaces of the three kinds of hard polymers.
Ball indentation tests have been used to estimate the mechanical properties of materials by some investigators. In this study, load-depth curves from ball indentation tests have been analysed using the geometric conditions of ball indentation. Series of numerical calculations and experimental results showed that those curves could be simplified by linear functions. After linearizing the indentation curves, the estimation process of the flow properties became straight forward and the scatter of results could be drastically reduced.
Ball indentation tests have been used to estimate the mechanical properties of materials by several investigators. In this study, load-depth curves from ball indentation tests were analyzed using the geometric conditions of the contact between ball and specimen. A series of numerical calculations and experimental results showed that the contact load-depth curves could be simplified by linear functions. Once we obtained the contact indentation depth from linearizing the experimental indentation curves, the estimation process of the flow properties became straight-forward and the scatter of results could be drastically reduced.
In this study, we enhance the numerical approach of Lee et al.$^{(1)}$ to spherical indentation technique for property evaluation of hyper-elastic rubber. We first determine the friction coefficient between rubber and indenter in a practical viewpoint. We perform finite element numerical simulations for deeper indentation depth. An optimal data acquisition spot is selected, which features sufficiently large strain energy density and negligible frictional effect. We then improve two normalized functions mapping an indentation load vs. deflection curve into a strain energy density vs. first invariant curve, the latter of which in turn gives the Yeoh-model constants. The enhanced spherical indentation approach produces the rubber material properties with an average error of less than 3%.
Due to the self-similarity of Berkovich and conical indenters, different materials may show the same loaddepth curve for single indentation. In this study, we first compare the load-depth characteristics of conical and Berkovich indenters via finite element method. We also analyze the variation of load-depth curves with angle of Berkovich indenter, indentation parameters, and material properties. With numerical regressions of obtained data, we then propose dual-Berkovich indentation formulae for material property evaluation. The proposed approach provides the values of elastic modulus, yield strength and strain-hardening exponent and corresponding stress-strain curve with an average error of less than 3%. The method is valid for any elastic indenters made of tungsten carbide and diamond for instance.
마이크로/나노 압입시험에 사용되는 각뿔 혹은 원뿔형 압입자의 선단 형상은 제작한계 및 사용 중 마모 등으로 인해 필수적으로 곡면 형태를 띄게 된다. 많은 압입시험 관련 연구에서 각뿔형 압입자의 선단 형상은 편의상 구형으로 가정한 후, 얕은 압입에 대한 구형압입 이론식을 적용하고 있다. 이러한 가정에는 근본적으로 두 가지 문제점이 있는데, 첫 번째로 이론해의 정확성은 재료 물성치 및 압입자 형상에 따라 변화한다는 점이며, 두 번째로 각뿔형 압입자의 실제 선단 형상은 이상적인 구형이 아니라는 점이다. 본 연구에서는 유한요소해석에 기반하여 압입시험에 미치는 이 두 요소의 영향을 분석한다. 먼저 탄성 구형 압입시험에 대해 푸아송비와 하중-변위 곡선의 상관관계를 살펴보고, 이를 기반으로 수정된 구형 탄성 압입 관계식을 제시한다. 이어 가정된 Berkovich 선단 형상의 3차원 유한요소해석으로부터 압입깊이에 따른 하중-변위 곡선의 특성을 분석한다.
Residual stress is the key parameter for reliability and lifetime assessment because it can reduce the fatigue strength and fracture properties of industrial structures. Recently, instrumented indentation testing (IIT) has been widely used for evaluating it, since it does not need specific specimen and time-consuming procedure. However, conventional Oliver-Pharr method, which is used for calibrating contact depth to analyze indentation load-depth curve, cannot estimate plastic pile-up between indenter and surface of specimen. Here, we introduce f parameter which is the ratio of contact depth and maximum depth, to consider pile-up height. And, its application for evaluating residual stress of weldment is introduced.
Indentation and small punch tests are very powerful methods to monitor the materials reliability since they are very simple, easy and almost non-destructive. First, recently-developed continuous indentation test can provide the more material properties such as hardness, elastic modulus, yield strength, work-hardening exponent, etc., than the conventional hardness test. In our study, the true stress-strain curve was derived from the indentation load-depth curve for spherical indentation. In detail, the strain was able to be obtained from plastic depth/contact radius ratio, and the flow stress was from mean contact pressure through the analysis of elastic-plastic indentation stress field. Secondly, the small punch test was studied to evaluate the fracture toughness and defomation properties such as elastic modulus and yield strength. Like the indentation test, this test can be applied without severe damage of the target structure.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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