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Licensed Unlicensed Requires Authentication Published by De Gruyter January 8, 2022

Finite element simulation of spherical indentation in the elastic –plastic transition

Finite-Elemente-Simulationen von sphärischen Eindrücken im elastisch– plastischen Übergang
Karsten Durst, Mathias Göken and George M. Pharr

Abstract

Finite element simulations were conducted to examine spherical indentation in the elastic – plastic transition regime. Various elastic-perfectly plastic materials were studied by varying the ratio of the elastic modulus to the yield stress in the range 25 – 1000. Special attention was given to the influence of residual stress and friction on the indentation load – displacement behavior and development of the plastic zone. A new method for measuring yield strengths from indentation load – displacement curves is proposed, and a recently developed experimental method for measuring biaxial residual stresses by nanoindentation methods is assessed. In the appropriate limits, the simulations show good agreement with the theoretical descriptions of spherical indentation given by Hertz and Tabor.

Abstract

Der Übergang zwischen elastischer und plastischer Verformung bei sphärischen Härteeindrücken wurde mit der Methode der finiten Elemente simuliert. Untersucht wurden verschiedene elastisch/ideal-plastische Materialien durch Variation des Verhältnisses von Elastizitätsmodul zu Fließspannung im Bereich von 25 – 1000. Besonders der Einfluss von Eigenspannungen und Reibung auf das Kraft –Eindringtiefen-Verhalten bei der Härteprüfung sowie die Entwicklung der plastischen Zone standen im Mittelpunkt der Simulationen. Vorgestellt wird eine neue Methode zur Bestimmung von Fließspannungen aus Kraft – Eindring-Kurven. Eine kürzlich entwickelte experimentelle Methode zur Messung von ebenen Eigenspannungen mittels Nanoindentierung wird evaluiert. Im Rahmen der Genauigkeit zeigen die Simulationen eine gute Übereinstimmung mit den theoretischen Modellen der sphärischen Härteprüfung von Hertz und Tabor.


Dipl.-Ing. Karsten Durst Universität des Saarlandes Werkstoffwissenschaften, Geb. 43B Postfach 151150, D-66041 Saarbrücken, Germany Tel.: +49 681 302 5178 Fax: +49 681 302 5015

  1. K. D. thanks the DFG Graduiertenkolleg at University of Saarland and Prof. H. Vehoff for financial support of a research stay at Oak Ridge National Laboratory and University of Tennessee in the group of Prof. G. M. Pharr. W. Holmes at UTK is thanked for his support with perl script. Research through Oak Ridge National Laboratory ShaRE User Program was sponsored by the Division of Materials Science and Engineering, U.S. Department of Energy, under contract DE-AC05-00OR22725 with UT-Batelle, LLC.

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Received: 2002-01-11
Published Online: 2022-01-08

© 2002 Carl Hanser Verlag, München