МАЯТНИКОВЫЙ СКЛЕРОМЕТР

Заявляемое решение относится к области определения физико-механических характеристик материалов, в частности к устройствам для микромеханических испытаний материалов с покрытиями, например, конструкционных материалов с коррозионностойкими покрытиями толщиной 2-5 мкм.
Уровень развития техники известен из решения [Патент РФ на изобретение №2147737 «Устройство для испытания материалов», опубликован в Бюл. №11 2000 г.], где устройство маятникового типа содержит стойки с осью маятника, несущего индентор, предметный столик для размещения исследуемого образца, способный перемещаться в двух взаимноперпендикулярных горизонтальных направлениях, расположенное на стойке оптическое средство контроля разрушения образца.
Недостатком решения является его ограниченные возможности, а именно то, что место воздействия индентора на образец и зона оптического контроля образца не скоординированы, т.е. их координаты различны. Это приводит к тому, что после воздействия индентора образец необходимо переместить (с помощью микрометрических винтов предметного столика) в зону оптического наблюдения. Это перемещение по двум координатам. Длина пути по каждой координате достигает нескольких сантиметров. После проведения оптических наблюдений вернуть образец в исходное положение проблематично из-за ошибок в исчислении координат и трудоемко по времени.
Техническим результатом заявляемого устройства является расширение технологических возможностей устройства за счет совмещения в пространстве координат места воздействия индентора на образец и места оптического наблюдения результатов этого воздействия. Совмещение координат достигается при повороте оптического устройства из исходного положения в рабочее положение при отведенном маятнике. Для этого устройство снабжено:
- средством фиксации маятника в отведенном положении,
- средством перевода оптического средства из исходного положения в рабочее положение и обратно,
- средством юстирования оптического устройства в рабочем положении,
- средством отсчета линейных размеров на следе воздействия индентора на образец,
- средством документирования объекта визуального оптического наблюдения.
Таким образом, заявляемое решение, как и прототип, включает в себя стойки с осью, несущей маятник с индентором, предметный столик для размещения исследуемого образца, оснащенный средствами микрометрического перемещения в двух взаимноперпендикулярных горизонтальных направлениях, средство оптического визуального наблюдения результатов взаимодействия индентора с исследуемым образцом.
Однако заявляемое решение отличается от прототипа тем, что устройство снабжено:
- средством фиксации маятника в отведенном положении,
- средством перевода оптического средства из исходного положения в рабочее положение и обратно,
- средством юстирования оптического устройства в рабочем положении,
- средством отсчета линейных размеров на следе воздействия индентора на образец,
- средством документирования объекта визуального оптического наблюдения.
Указанные отличия являются новыми и существенными.
На фиг. 1 показана схема заявляемого устройства, на фиг. 2 - схема оптически наблюдаемого участка следа взаимодействия индентора с образцом, на фиг. 3 - схема оптического средства для совмещения траекторий следа и перемещения оптического средства, на фиг. 4 - схема фиксации маятника в отведенном положении, на фиг. 5 - примеры траекторий следов, на фиг. 6 - структура оптического средства, на фиг.7 - картина разрушения материала по длине следа (1 - зона входа индентора; 2 - зона с большей глубиной внедрения; 3 - зона с максимальной глубиной внедрения (она в данном примере выбрана 7 мкм, т.е. меньше толщины покрытия); 4 - зона с меньшей глубиной внедрения индентора; 5 - зона выхода индентора), на фиг. 8 - пример разрушения локального участка материала (а - во время врезания индентора; 6 - при глубине внедрения, превышающей толщину покрытия), на фиг. 9 - пример пересекаемых следов.
Устроено заявляемое устройство следующим образом. На основании 1 установлены стойки 2 и предметный столик 3. Стойки несут на себе ось 4 маятника 5. Маятник содержит индентор 6 и снабжен сменным грузом 7. После отпускания при отводе маятника из вертикального положения он способен совершать поворот вокруг оси 4 (или вместе с осью 4). Его амплитуда колебания (и энергия движения) зависит от массы груза 7 и длины маятника. Длина маятника регулируется, например микромеханическим механизмом М. Этим регулированием можно обеспечивать ту или иную глубину заглубления индентора 6 в материал исследуемого образца 8, который устанавливается на предметный столик 3. Предметный столик смонтирован горизонтально и снабжен механизмами перемещения в двух взаимноперпендикулярных направлениях, например микромеханическими механизмами перемещения столика с образцом вперед - назад (позиция 9) и влево - вправо (позиция 10). Устройство снабжено оптическим средством 11, которое смонтировано на стойке 2 или основании 1 и служит для визуального наблюдения результатов воздействия индентора на поверхность исследуемого образца. Оптическое средство 11, например окуляр, может занимать исходное положение (т.е. может быть отведенным в сторону) и рабочее положение (т.е. может быть введено в пространство над исследуемым образцом). Например, оно может быть выполнено поворотным и, соответственно, содержать кронштейн 12, шарнир 13 и полку 14, несущую на себе окуляр с соответствующими механизмами, например, с устройством наводки резкости изображения. Длины кронштейна 12 и полки 14 выбраны так, чтобы траектория перемещения окуляра проходила через траекторию перемещения индентора (иначе говоря, через след 15, оставляемый индентором на поверхности образца). Для обеспечения стабильного положения оптического средства 11 над исследуемым следом 15 взаимодействия индентора с образцом устройство снабжено упором 16 с механизмом юстирования 17, например, регулировочными винтами. Так как введение оптического устройства в пространство над исследуемым образцом возможно только при отведении индентора 6 в сторону, то устройство снабжено средством 18 фиксации маятника в отведенном положении, например, откидным или выдвижным упором, магнитным устройством и т.д.
В частности, при визуальной оценке результатов взаимодействия индентора с образцом может возникнуть необходимость выполнения замеров следа 15, например, максимальной ширины выкрашивания покрытия. Конечно, такие измерения можно выполнить за счет перемещения стола микромеханическими механизмами 9 и 10. Но такие замеры могут быть проблематичными из-за несовпадения траектории следа и направлений перемещения стола. Более рациональным решением является оснащение оптического средства 11 средством 19 отсчета линейных размеров. Например, в виде поворотной и смещаемой насадки 20 с системой отсчета линейных размеров и углов разворота.
В частных случаях может возникнуть необходимость в документировании наблюдаемого через оптическое средство 11 изображения на следе 15. Например, документом может быть фотография. Соответственно, оптическое средство 11 должно быть оснащено или оптическим фотоаппаратом 21, или электронным фотоаппаратом 22, или видеокамерой 23, либо каждым из них.
Работа заявляемого устройства состоит в следующем.
Пример 1. Исследуемый образец 8 устанавливают на предметный столик 3. Механизмами 9 и 10 перемещения столика 3 образец перемещают в требуемое положение относительно индентора 6 маятника 5. Регулируют длину маятника так, чтобы обеспечить касание индентора с поверхностью образца. На маятник навешивают груз 7, масса которого необходима для скрайбирования (пропахивания индентором) поверхностных слоев образца. Механизмом М микрометрического перемещения при отведенном положении маятника (фиг.4) задают глубину внедрения индентора в тело образца. Отпускают маятник. Он, совершая вращательное движение В, перемещается по направлению к исследуемому образцу, индентор касается поверхности образца и, перемещаясь далее по дуге маятника, врезается в материал образца. При достаточной энергии движения маятника индентор по мере движения маятника достигнет максимальной глубины внедрения и затем глубина начнет убывать вплоть до выхода маятника из тела образца. Маятник останавливают и отводят в исходное положение с опиранием на упор 18. Проводят необходимые исследования поверхности образца.
При необходимости оптического исследования следа 15, оставленного индентором на поверхности образца к образцу подводят оптическое средство 11, например путем поворота полки 14 округ оси 13. При опирании упора 16 в юстировочное устройство 17 окуляр оптического средства останавливается над следом 15. Окуляром наводят резкость изображения следа, окуляр поворачивают на необходимый угол наблюдения, фиг.5, котировочным устройством 17 ориентируют окуляр над следом и перемещением каретки 20 устанавливают сетку (позиция С, фиг.2) отсчета в необходимое положение. Перемещением каретки 20 производят измерение требуемых параметров следа, например, максимальной ширины В следа или текущие ширины t1 и t2, фиг. 5.
Пример показывает, что заявленный технический результат достигнут, т.е. технические возможности устройства расширены, что обеспечивает возможность измерения параметров следа на образце без его снятия с устройства.
Пример 2. При необходимости документирования изображения, наблюдаемого человеком через объектив оптического средства 11 изображение фотографируют оптическим фотоаппаратом 21, что позволяет получить изображения, представленные на фиг. 7, фиг. 8, фиг. 9. При использовании электронного фотоаппарата 22 или видеокамеры 23 изображение будет переведено в электронный вид и может обрабатываться и храниться, например, в персональном компьютере.
Пример показывает, что заявленный технический результат достигнут, т.е. технические возможности устройства расширены, что обеспечивает возможность документирования оптического изображения следа образца без его снятия с устройства.