Инструментальная индент-диагностика физико-механических и служебных свойств материалов

Москва
ИНФРА-М
2025
МАТЮНИН В.М.
МАРЧЕНКОВ А.Ю.
ИНСТРУМЕНТАЛЬНАЯ 
ИНДЕНТ-ДИАГНОСТИКА
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ 
И СЛУЖЕБНЫХ СВОЙСТВ 
МАТЕРИАЛОВ
МОНОГРАФИЯ

УДК 666.9.017(075.4)
ББК 34.206.2
 
М35
Р е ц е н з е н т:
Казанцев А.Г., доктор технических наук, профессор, заведующий 
отделом прочности АО «НПО «ЦНИИТМАШ»
ISBN 978-5-16-020639-4 (print)
ISBN 978-5-16-113603-4 (online)
© Матюнин В.М., Марченков А.Ю., 
2025
Матюнин В.М.
М35  
Инструментальная 
индент- диагностика 
физико- механических 
и служебных свой ств материалов : монография / В.М. Матюнин, 
А.Ю. Марченков. —  Москва : ИНФРА-М, 2025. — 231 с. 
ISBN 978-5-16-020639-4 (print)
ISBN 978-5-16-113603-4 (online)
В монографии изложены разработанные авторами проекта методики 
регистрации и обработки кинетических диаграмм вдавливания и царапания и определения по ним физико- механических и служебных свойств поверхностных слоев материалов и покрытий. Предложена методика 
построения полной диаграммы растяжения, вплоть до разрыва образца, 
по диаграммам вдавливания и царапания. Продемонстрировано совмещение метода акустической эмиссии с методом инструментального (кинетического) индентирования, расширяющее его возможности в диагностике 
механических свой ств материалов и покрытий. Рассмотрены некоторые 
современные отечественные и зарубежные приборы для инструментального индентирования. Приведены примеры эффективного применения 
инструментального индентирования в диагностике физико- механических 
и служебных свой ств конструкционных материалов и покрытий.
Предназначена для научных, инженерно- технических работников лабораторий диагностики и служб металлов предприятий металлургии, машиностроения, энергетики, транспорта, авиакосмической техники, нефтегазохимии и других отраслей промышленности, а также для студентов 
и аспирантов технических университетов соответствующего профиля.
УДК 666.9.017(075.4)
ББК 34.206.2
Работа по подготовке рукописи к изданию выполнена 
при поддержке гранта
Российского научного фонда (проект № 22-19-00590)

Оглавление
Предисловие...........................................................................................................6
Основные принятые термины и обозначения ................................................8
Глава 1. Инструментальное (кинетическое) индентирование —  
эффективный метод механических испытаний и определения 
физико- механических свой ств обработанных поверхностных слоев 
материалов и покрытий (краткая историческая справка) ......................... 10
Список использованной литературы к главе 1 .....................................................................................13
Глава 2. Контактные давления и напряжения при вдавливании 
шара ...................................................................................................................... 15
2.1. 
Упругий контакт ........................................................................................................................................15
2.2. 
Критические нагрузки, сближения и геометрические параметры отпечатка 
в зоне перехода упругой деформации в упругопластическую .........................................20
2.3. 
Распределение интенсивности напряжений по поверхности и глубине 
пластического отпечатка .....................................................................................................................25
2.4. 
Связь напряжений при растяжении образца в равномерной области 
с твердостью по Бринеллю при постепенном увеличении относительного 
диаметра отпечатка ................................................................................................................................33
Список использованной литературы к главе 2 .....................................................................................36
Глава 3. Контактная пластическая деформация при вдавливании 
шара ...................................................................................................................... 39
3.1. 
Известные способы оценки пластической деформации 
при вдавливании шара..........................................................................................................................39
3.2. 
Распределение интенсивности пластической деформации по поверхности 
отпечатка .....................................................................................................................................................41
3.3. 
Сопоставление картин распределения пластической деформации, 
полученных моделированием и экспериментом .....................................................................48
3.4. 
Распределение плотности дислокаций по поверхности пластического 
отпечатка .....................................................................................................................................................50
Список использованной литературы к главе 3 .....................................................................................53
Глава 4. Закономерности и свой ства кинетических диаграмм 
вдавливания сферического индентора ......................................................... 55
4.1. 
Преимущества и возможности кинетических диаграмм вдавливания .........................55
4.2. 
Диаграммы вдавливания в упругой области индентирования .........................................57
4.3. 
Диаграммы вдавливания в упругопластической области индентирования ...............63
4.4. 
Диаграммы вдавливания в пластической области индентирования .............................69
4.5. 
Связь пластической деформации при вдавливании сферического индентора 
и растяжении образца в равномерной области .......................................................................74
Список использованной литературы к главе 4 .....................................................................................77

Глава 5. Методики определения физико- механических свойств 
конструкционных материалов по кинетическим диаграммам 
вдавливания и царапания ................................................................................ 79
5.1. 
Определение модуля нормальной упругости ...........................................................................79
5.2. 
Определение твердости и других механических свой ств материалов 
в области малых и развитых пластических деформаций .....................................................84
5.3. 
Определение механических свой ств материала при разрушении .................................89
5.3.1. 
Классификация способов испытаний материалов царапанием ........................89
5.3.2. 
Предложенный способ индентирования материалов царапанием 
с регистрацией диаграммы деформирования ...........................................................91
5.3.3. 
Определение истинного сопротивления разрыву...................................................96
5.3.4. 
Определение относительного сужения и относительного 
удлинения после разрыва ....................................................................................................98
5.4. 
Определение характеристик трещиностойкости хрупких материалов 
и покрытий ...............................................................................................................................................100
Список использованной литературы к главе 5 ..................................................................................111
Глава 6. Масштабный фактор при кинетическом индентировании 
материалов ........................................................................................................ 113
6.1. 
Общие понятия о масштабном эффекте, масштабном факторе 
и масштабных параметрах................................................................................................................113
6.2. 
Масштабные параметры и масштабные уровни (диапазоны) 
при кинетическом индентировании материалов .................................................................117
6.3. 
Влияние масштабного фактора на кинетические диаграммы 
вдавливания и определяемые по ним механические характеристики ......................121
6.4. 
Влияние масштабного фактора на модуль нормальной упругости, 
определенный растяжением и кинетическим индентированием ................................124
6.4.1. 
Влияние масштабного фактора на модуль нормальной упругости, 
определяемый растяжением ...........................................................................................124
6.4.2. 
Влияние масштабного фактора на модуль нормальной упругости, 
определяемый кинетическим индентированием ..................................................132
6.5. 
Предлагаемая методика определения твердости материалов по диаграммам 
вдавливания с учетом масштабного фактора .........................................................................139
6.6. 
Теоретическая прочность и теоретическая твердость металлов в аспекте 
масштабного фактора .........................................................................................................................143
Список использованной литературы к главе 6 ..................................................................................147
Глава 7. Методика получения диаграммы растяжения 
по диаграммам вдавливания и царапания ................................................. 150
7.1. 
Известные подходы к преобразованию диаграмм вдавливания 
в диаграммы растяжения ..................................................................................................................150
7.2. 
Условия подобия, необходимые для установления связи диаграмм 
вдавливания с диаграммами растяжения .................................................................................152
7.3. 
Свой ства диаграмм истинных напряжений в области сосредоточенной 
деформации при растяжении образца ......................................................................................155
7.4. 
Получение полной диаграммы растяжения, вплоть до разрушения 
по диаграммам вдавливания и царапания ...............................................................................165
Список использованной литературы к главе 7 ..................................................................................168

Глава 8. Определение служебных свой ств материалов 
кинетическим индентированием вдавливанием и царапанием ............ 170
8.1. 
Оценка хладостойкости и определение критической температуры 
хрупкости сталей ...................................................................................................................................170
8.2. 
Определение температурного интервала синеломкости сталей ..................................177
8.3. 
Определение температуры стеклования изоляционных материалов ........................181
8.4. 
Определение износостойкости материалов и покрытий .................................................186
Список использованной литературы к главе 8 ..................................................................................193
Глава 9. Стационарные и переносные приборы 
для инструментального индентирования и примеры 
его эффективного применения в индент-диагностике 
механических и служебных свой ств материалов и покрытий ................ 195
9.1. 
Стационарные приборы ....................................................................................................................195
9.2. 
Переносные приборы .........................................................................................................................200
9.3. 
Примеры эффективного применения индент- диагностики для выявления 
распределения физико- механических и служебных свой ств металла 
в локальных зонах сварных соединений ..................................................................................204
9.3.1. 
Распределение физико-механических свой ств ......................................................204
9.3.2. 
Распределение критической температуры хрупкости .......................................207
9.3.3. 
Распределение остаточных напряжений ...................................................................209
9.4. 
Контроль механических свой ств высокопрочных 
и труднообрабатываемых материалов ......................................................................................216
9.5. 
Определение степени опасности состояния металла в локальных зонах 
концентрации напряжений ..............................................................................................................219
Список использованной литературы к главе 9 ..................................................................................223
Заключение ........................................................................................................ 227

Предисловие
В монографии представлены результаты исследований, методических и приборных разработок, выполненных в НИЛ 
010161 «Механико- технологических испытаний и оперативной 
диагностики материалов» кафедры Технологии металлов НИУ 
«МЭИ» за последние 10 лет в области испытаний материалов индентированием. По сравнению с ранее изданной в 2015 г. монографией 
по этой тематике, в настоящей монографии авторы ограничились 
изложением полученных результатов исследований с использованием только кинетического (инструментального) индентирования 
обработанных поверхностных слоев конструкционных материалов 
и покрытий. Все эксперимен ты и разработки выполнены под руководством и непосредственном участии организатора и научного руководителя НИЛ, доктора технических наук, профессора В.М. Матюнина и его ученика заведующего НИЛ, кандидата технических 
наук, доцента А.Ю. Марченкова.
Новые полученные результаты исследований, заключающиеся 
в развитии метода инструментального индентирования и раскрытии его новых возможностей, состоят в:
 
– установленных закономерностях и свой ствах кинетических 
диаграмм вдавливания сферического индентора в упругой 
и упругопластической областях индентирования (гл. 4);
 
– разработанных условиях подобия, необходимых для установления связи диаграмм вдавливания с диаграммами растяжения, и в установленной связи деформаций при растяжении образца в равномерной области с относительной глубиной отпечатка и параметром деформационного упрочнения 
при индентировании (гл. 4, 7);
 
– моделировании вдавливания сферы при индентировании поверхности материала (гл. 3 и 5);
 
– разработке методик определения: модуля нормальной упругости материалов непосредственно по начальному упругому 
участку кинетической диаграммы вдавливания, предела 
упругости по твердости на пределе упругости, предела текучести по твердости на пределе текучести, временного сопротивления по твердости на пределе прочности, максимальной 
равномерной деформации при растяжении образца по параметру деформационного упрочнения при индентировании, 
истинного сопротивления разрыву по твердости при цара

пании и относительной истинной деформации образца после 
разрыва по относительной критической длине царапины 
при локальном разрушении материала, характеристик трещиностойкости материалов и покрытий (гл. 5);
 
– разработанной методике преобразования кинетической диаграммы вдавливания сферического индентора в диаграмму 
растяжения в области равномерной деформации, а также 
построения полной диаграммы истинных напряжений 
и истинных (логарифмических) деформаций, вплоть до разрушения, по диаграммам вдавливания и царапания (гл. 7);
 
– разработке методик определения служебных свой ств материалов кинетическим индентированием вдавливанием и царапанием, включая температурный интервал синеломкости, 
хладноломкость и критическую температуру хрупкости 
стали, температуру стеклования, износостойкость (гл. 8);
 
– установлении влияния масштабного фактора на кинетические диаграммы вдавливания и определяемые по ним механические свой ства, методике определения твердости материалов и покрытий с учетом влияния масштабного фактора 
(гл. 6);
 
– разработке новых переносных приборов для кинетического индентирования вдавливанием индентора с приведенными примерами эффективного применения разработанных методик оперативной индент- диагностики физико- 
механических и служебных свой ств конструкционных 
материалов и покрытий (гл. 9).
Авторы монографии выражают благодарность своим коллегам 
по НИЛ за помощь в проведении эксперимен тов, обработке результатов испытаний, подготовке технической документации и программного обеспечения для разработанных приборов. Они также 
благодарят доктора технических наук, профессора А.Г. Казанцева 
за рецензирование монографии и ценные рекомендации по ее изложению.
Матюнин Вячеслав Михайлович 
и Марченков Артем Юрьевич
Москва, НИУ «МЭИ»
2025 г.

Основные принятые термины и обозначения
А —  площадь проекции отпечатка;
а —  радиус отпечатка;
D —  диаметр шара (индентора);
d —  диаметр отпечатка;
ЕIT —  модуль индентирования;
Eи —  модуль нормальной упругости материала индентора;
Ем —  модуль нормальной упругости испытуемого материала;
F —  сила, приложенная к индентору (нагрузка на индентор);
G1c —  энергетический критерий сопротивления развитию трещины;
Т —  полная глубина упругопластического пространства под отпечатком;
HBIT —  твердость индентирования по Бринеллю (ГОСТ 56232–
2014);
HBt —  твердость по Бринеллю, рассчитанная по глубине невосстановленного отпечатка;
(HBt)0,05 —  твердость по Бринеллю на пределе упругости;
(HBt)0,2 —  твердость по Бринеллю на пределе текучести;
(HBt)в —  твердость по Бринеллю на пределе прочности;
НМ —  среднее контактное давление при вдавливании шара 
(твердость по Мейеру);
h —  глубина восстановленного отпечатка;
h/R —  относительная глубина восстановленного отпечатка;
hв/R —  относительная глубина восстановленного отпечатка, соответствующая (НВt)в;
J —  приведенный модуль нормальной упругости;
К1с —  критический коэффициент интенсивности напряжений;
KСV —  ударная вязкость образца с V-образным надрезом;
М —  площадь поверхности отпечатка;
n —  параметр упрочнения в упругопластической области индентирования;
Q —  абсолютный параметр упрочнения в пластической области 
индентирования;
q —  относительный параметр упрочнения в пластической области индентирования;
qa —  среднее давление, действующее на контактную площадку;
qmax —  максимальное давление, действующее на контактную площадку;

R —  радиус шара (индентора);
Rу.п. з. —  радиус упругопластической зоны под отпечатком;
Rп.з. —  радиус пластической зоны под отпечатком;
Rг.я. —  радиус гидростатического ядра;
S —  истинное напряжение при растяжении;
Sв —  истинное временное сопротивление при растяжении;
Sк —  истинное сопротивление образца разрыву при растяжении;
Ткр —  критическая температура хрупкости;
(Ткр)0,4 —  критическая температура хрупкости, определенная 
по допускаемому значению КСV = 0,4 МДж/м2;
t —  расчетная глубина невосстановленного отпечатка;
t/R —  относительная глубина невосстановленного отпечатка;
tв/R —  относительная глубина невосстановленного отпечатка, 
соответствующая (НВt)в;
Vот —  объем отпечатка;
Vдеф —  деформированный объем материала под отпечатком;
Vд —  скорость деформирования;
Wм —  упругая деформация испытуемого материала;
Wш —  упругая деформация шара;
Z —  температурный коэффициент твердости;
α —  упругопластическое сближение шара с плоскостью;
α0 —  упругое сближение шара с плоскостью (по Г. Герцу);
γ —  коэффициент, учитывающий соотношение модулей нормальной упругости материала индентора и испытуемого материала;
δ —  относительное условное удлинение;
δр —  относительное условное равномерное удлинение;
ε —  относительное истинное удлинение;
εр —  относительное истинное равномерное удлинение;
εэф —  эффективная пластическая деформация на краю отпечатка 
при вдавливании шара;
 —  скорость деформации;
ψ —  относительное условное сужение образца;
ψвд —  контактная деформация при вдавливании шара 
(по М.П. Марковцу);
μи —  коэффициент Пуассона материала индентора;
μм —  коэффициент Пуассона испытуемого материала;
ρ —  плотность дислокаций;
σ —  условное напряжение при растяжении;
σ0,05 —  условный предел упругости при растяжении;
σ0,2 —  условный предел текучести при растяжении;
σв —  условное временное сопротивление при растяжении;
ωз —  удельная работа зарождения трещины;
ωр —  удельная работа распространения трещины.

Глава 1. 
ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЕ (КИНЕТИЧЕСКОЕ) 
ИНДЕНТИРОВАНИЕ —  ЭФФЕКТИВНЫЙ МЕТОД 
МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ 
И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИКО- МЕХАНИЧЕСКИХ 
СВОЙ СТВ ОБРАБОТАННЫХ ПОВЕРХНОСТНЫХ 
СЛОЕВ МАТЕРИАЛОВ И ПОКРЫТИЙ (КРАТКАЯ 
ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА)
Согласно ГОСТ Р 8.748–2011, под инструментальным индентированием (в отечественной терминологии «кинетическим индентированием») понимается процесс, управляемый специальной 
испытательной установкой, при котором происходит непрерывное 
внедрение индентора в испытуемый образец под действием плавно 
возрастающей нагрузки с последующим ее снятием и регистрацией 
зависимости перемещения индентора от нагрузки. Термин «кинетическое индентирование» был впервые предложен в нашей стране 
в 70-х годах прошлого века, что объяснялось тем, что при таком 
виде индентирования можно получить информацию о кинетике 
процессов деформации материала при нагружении, выдержке под 
нагрузкой и разгрузке. При плавном нагружении индентора материал испытывает стадии упругой и упругопластической деформации. Для материалов с низкой пластичностью упругопластическая стадия индентирования может перейти в стадию разрушения 
с образованием трещин вокруг отпечатка. Все процессы упругой, 
упругопластической деформации, релаксации и разрушения отображаются на кинетической диаграмме вдавливания в виде отдельных участков, точек перегиба или перелома.
Становление и развитие кинетического индентирования неразрывно связано с разработкой первых приборов, позволяющих зарегистрировать непрерывную диаграмму вдавливания индентора 
в координатах «нагрузка —  перемещение индентора». Из известных 
авторам настоящей монографии литературных источников первая 
непрерывная диаграмма вдавливания шара была получена А. Мартенсом и Е. Гейном в 1908 г. с использованием разработанного прибора [1.1]. Затем в 1945 г. Е.М. Розенберг представил также разработанный прибор и методику для автоматизированной записи ди