СПОСОБ СБОРА И ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ О ПОВЕРХНОСТИ ОБРАЗЦА
METHOD TO COLLECT AND PROCESS INFORMATION ON SAMPLE SURFACE

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к средствам контроля рельефа и поверхностных свойств образцов с помощью склерометров, и может быть использовано для оценки изменения свойств поверхности вдоль пути сканирования.
Известен способ получения и обработки информации о поверхности образца с помощью щуповых профилографов [1], в котором производят контактное сканирование поверхности алмазной иглой, далее на основе измерения вертикальных перемещений иглы в процессе сканирования строят профилограмму, оценивают параметры шероховатой поверхности, строят кривую опорной поверхности и на основе ее анализа оценивают характеристики контакта (фактическая площадь контакта, контактная деформация) и сближения сопряженных поверхностей.
Недостаток данного способа заключается в функциональной ограниченности (оценивается только геометрия профиля) и получении некорректных данных для последующей оценки характеристик контакта сопряженных поверхностей, находящихся под нагрузкой (величины сближения, площади фактического контакта) поскольку материалы имеют неоднородности (твердые и мягкие включения и фазы), особенно в случае исследования композиционных и многофазных материалов.
Также известен способ [2], в котором определяют твердость поверхностного слоя путем сканирования поверхности нагруженным индентором. Для этого образец помещают на столик прибора (например, микротвердомера ПМТ-3), опускают на исследуемую поверхность индентор, к которому приложена постоянная нормальная нагрузка, производят перемещение столика с образцом относительно индентора так, чтобы перемещение столика было направлено вдоль оси упругих пластин механизма нагружения, определяют ширину полученной царапины и оценивают величину твердости.
Недостаток данного способа заключается в функциональной ограниченности - оценивается только твердость поверхностного слоя.
В качестве прототипа выбран способ [3], в котором производят последовательное снятие в заданных точках поверхности по меньшей мере участка силовой кривой и определение по нему параметров образца с последующим построением соответствующих пространственных распределений. На силовой кривой производят выбор опорных точек и фиксируют по меньшей мере в этих точках значения силы отклонения кантилевера, и/или координаты его закрепленного конца, и/или производных от силы отклонения кантилевера по координате его закрепленного конца. По числу опорных точек и/или указанным зафиксированным значениям определяют параметры образца, характеризующие рельеф, и/или свойства поверхности образца, и/или число и свойства его поверхностных слоев. В том числе определяют координаты поверхности образца, и/или границ поверхностных слоев, или толщины поверхностных слоев, или силу адгезии поверхности образца и/или поверхностных слоев, или коэффициент упругости поверхности образца и/или поверхностных слоев.
Недостатком прототипа является функциональная ограниченность, заключающаяся в исследовании тонкого поверхностного слоя, соизмеримого с размерами атомов, что может некорректно отразить свойства поверхностных слоев, в общем случае состоящих из большого количества разнородных структурных элементов.
Технический результат настоящего изобретения заключается в расширении функциональных возможностей оценки характеристик поверхностных слоев и получении более корректных данных, отражающих объемные свойства поверхностных слоев.
Технический результат достигается тем, что осуществляют сканирование контролируемой поверхности более одного раза с разной степенью сближения зонда с контролируемой поверхностью с одновременным получением данных о пространственных и силовых параметрах сканирования и определяют по ним параметры образца, характеризующие рельеф и/или свойства поверхности образца, степень воздействия зонда на поверхность или поверхностные слои образца, а также величину остаточной деформации определяют по разности полученных значений пространственных и силовых параметров, при этом первое сканирование производят с нагрузкой на зонд, не вызывающей пластическую деформацию поверхности и оценивают вертикальные перемещения зонда в процессе сканирования, на основе которых строят профилограмму контролируемой поверхности и определяют параметры ее шероховатости, затем возвращают зонд в исходное положение, внедряют зонд в поверхностный слой на необходимую глубину, отражающую объемные свойства поверхностного слоя, за счет приложения постоянной нормальной нагрузки и производят второе сканирование и оценивают вертикальные перемещения зонда, на основании которых строят кривую опорной поверхности и оценивают ее характеристики, а также определяют распределение твердости поверхностного слоя вдоль пути сканирования.
Сущность заявляемого способа заключается в следующем.
Кривую опорной поверхности строят на основе профилограммы, полученной при сканировании контролируемой поверхности нагруженным зондом. Это позволяет учесть тот факт, что контролируемая поверхность в общем случае неоднородна и ее различные участки имеют различную жесткость и твердость (границы зерен, различные фазы, включения, оксидные пленки, прижоги и т.п.). При этом более твердые участки контролируемой поверхности будут на данной профилограмме выглядеть как выступы, а менее твердые - как впадины, наложенные на исходный профиль контролируемой поверхности. При высокой степени однородности поверхностного слоя профилограммы, полученные нагруженным и разгруженным зондом, практически будут близки. Для неоднородных материалов заявляемый способ позволит получить кривую опорной поверхности, которая позволит более корректно оценить ее характеристики, используемые при расчетах контактного сближения, а также площади фактического касания.
Твердость поверхности оценивают методом царапания, в котором повышение корректности измерений достигается автоматизированной оценкой глубины внедрения зонда, оцениваемой как разность показаний вертикальных перемещений зонда при последовательных сканированиях без нагрузки и под нагрузкой, вместо измерения ширины царапины, осуществляемой визуально с помощью оптических приборов. При этом корректные данные о глубине внедрения зонда можно получить даже тогда, когда ширину царапины невозможно измерить из-за неопределенности контура ее границы. С учетом того что ширина b и глубина h царапины при использовании в качестве зонда, например алмазного наконечника Виккерса, связаны соотношением h≈0,14b, формула для оценки твердости
<mrow><msub><mi>H</mi><mi>P</mi></msub><mo>=</mo><mn>3,708</mn><mi>P</mi><mo>/</mo><msup><mi>b</mi><mn>2</mn></msup><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где Р - нормальная нагрузка, преобразуется к виду
<mrow><msub><mi>H</mi><mi>P</mi></msub><mo>≈</mo><mn>0,0727</mn><mi>P</mi><mo>/</mo><msup><mi>h</mi><mn>2</mn></msup><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Заявляемый способ позволяет путем двукратного сканирования выбранного участка контролируемой поверхности получить корректные данные о шероховатости поверхности, кривой опорной поверхности и распределения твердости вдоль пути сканирования.
Заявленный способ реализуется по следующим этапам.
- Помещают испытуемый образец на столик измерительного прибора. Опускают на контролируемую поверхность зонд и производят первое сканирование с нагрузкой на зонд, не вызывающей пластическую деформацию поверхности, и оценивают вертикальные перемещения зонда в процессе сканирования.
a
z
max
p
- На основе полученных данных о вертикальных перемещениях зонда строят профилограмму контролируемой поверхности и определяют параметры ее шероховатости, например R, R, R, R, затем возвращают зонд в исходное положение.
- Внедряют зонд в поверхностный слой на необходимую глубину, отражающую объемные свойства поверхностного слоя, за счет приложения постоянной нормальной нагрузки, и производят второе сканирование, и оценивают вертикальные перемещения зонда.
pk
νk
- На основе полученных данных о вертикальных перемещениях зонда строят профилограмму поверхности, полученной нагруженным зондом, на основе которой строят кривую опорной поверхности и оценивают ее характеристики, например ν, R, R и др.
- Определяют распределение твердости поверхностного слоя вдоль пути сканирования по формуле (2), принимая в качестве глубины внедрения зонда h величину разности данных о вертикальных перемещениях зонда в нагруженном и ненагруженном состоянии в соответствующей точке сканирования.
1
max
p
z
a
2
m
3
1
2
Пример. Для реализации предложенного способа использовали диагностический программно-аппаратурный комплекс, описанный в работе [4]. В качестве зонда использовали наконечник Виккерса - алмазную пирамиду с квадратным основанием и межгранным углом при вершине 136°. В качестве образца использовали кузовную стальную шайбу. Опустили зонд на поверхность образца под нормальной нагрузкой 0,002 Н, не вызывающей пластической деформации поверхности, и получили профилограмму P поверхности образца (фиг.1) при базовой длине l=0,8 мм. Определили параметры шероховатости поверхности: R=5 мкм; R=1,2 мкм; R=1,36 мкм; R=0, 41 мкм. Вернули зонд в исходное положение, нагрузили его статической нагрузкой 0,11 Н, повторно просканировали поверхность и получили профилограмму Р (фиг.1), на основе которой построили кривую опорной поверхности. На основе анализа кривой опорной поверхности получили значение относительной опорной длины по средней линии t=0,5. Построили распределение глубины внедрения зонда h вдоль пути сканирования в виде расчетной кривой Р (фиг.1) как разницу высотных характеристик профилограмм P и Р вдоль пути сканирования. Построили распределение твердости поверхности (фиг.2) вдоль пути сканирования путем расчета твердости по формуле (2) с подстановкой полученного распределения значений h вдоль пути сканирования.
1
2
3
1
2
1
На фиг.1. показаны результаты построения и обработки профилограмм: полученных разгруженным зондом - P; полученных зондом, нагруженным нормальной нагрузкой 0,11 Н - Р; Р - разность значений профилограмм P и Р, характеризующая глубину внедрения зонда относительно профиля P.
На фиг.2. представлено распределение твердости поверхности образца по базовой длине.
Используемая литература
1. Основы трибологии (трение, износ, смазка): Учебник для технических вузов / А.В.Чичинадзе, Э.Д.Браун, И.А.Буше, И.А.Буяновский и др. - М.: Центр "Наука и техника", 1995. - 778 с.
2. ГОСТ 21318-75. Измерение микротвердости царапанием алмазным наконечником. - М.: Изд-во стандартов, 1976. - 29 с.
3. Патент РФ №2145055. Способ сбора и обработки информации о поверхности образца / Молчанов С.П., Дремов В.В., Кирпичников А.П. Опубл. 27.01.2000 г.
4. Ненашев М.В., Ибатуллин И.Д., Деморецкий Д.А. и др. Новые приборы контроля качества поверхностей // Известия Самарского научного центра РАН. - Самара: СНЦ РАН. Т.13. №1 (3) (39). - 2011. - С.578-581.