УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТВЕРДЫХ ТЕЛ ИНДЕНТИРОВАНИЕМ

Полезная модель относится к измерительной технике для исследования и определения механических свойств материалов путем приложения к ним механических усилий, а именно к микротвердомерам, регистрирующим диаграммы глубины вдавливания индентора в материал.
Известны микротвердомеры, предназначенные для измерения микротвердости металлов, сплавов, минералов и других материалов методом вдавливания алмазных наконечников с нагрузкой в диапазоне от 1 до 1000 гс по ГОСТ 9450-76, контролирующих величину отпечатка при заданной нагрузке на индентор. Они широко применяются в лабораториях заводов, научно-исследовательских институтах, учебных заведениях, в металлургической, машиностроительной, горнодобывающей промышленности, а также в других областях науки и техники.
Известен микротвердомер (патент РФ №2231041, опубл. 20.06.2004, G01N 3/48), содержащий основание с предметным столиком, стойку, установленную на стойке траверсу, первую направляющую в форме стакана с осевым отверстием под индентор, в полости которого размещен механизм нагружения с датчиком силы, и установленный в нижней части стакана, магнитоуправляемый датчик перемещений индентора, постоянный магнит которого размещен на нерабочей поверхности индентора, каретку со сменными грузами, установленную в полости стакана с возможностью вертикального перемещения посредством жесткого первого арретирующего звена узла привода нагружения в виде арретира, который установлен на верхней утолщенной поверхности стакана, вторая направляющая, выполненная в виде опоры, коаксиально установленная в стакане с возможностью вертикального перемещения относительно него, и второе арретирующее звено, выполненное в виде регулировочного микровинта, размещенного в верхнем торце опоры и обеспечивающего возможность освобождения опоры от контакта с кареткой при замыкании опоры с плоскостью образца, при этом стакан жестко закреплен на траверсе, магнитоуправляемый датчик перемещений индентора размещен в корпусе опоры, а каретка со сменными грузами и механизм нагружения соосно размещены в полости опоры, с возможностью вертикального перемещения относительно нее.
Основным недостатком данного устройства является низкая точность измерений, обусловленная как факторами внешних воздействий (вибраций) на индентор, которые невозможно устранить в описанной конструкции, так и неконтролируемые люфты в направляющих.
Наиболее близким по технической сущности и принятым за прототип является прибор для исследования микромеханических характеристик твердых тел индентированием (патент РФ №91627, опубл. 20.02.2010, G01N 3/42), содержащий основание с вертикальной стойкой с направляющими и закрепленный на нем предметный столик для установки исследуемого образца, каретку, расположенную в направляющих стойки с возможностью ее относительного перемещения вдоль стойки и снабженную смонтированными на ней приводом перемещения, пружинным параллелограммом и рычажным арретиром, закрепленным на оси с возможностью его углового поворота и взаимодействующим в процессе работы с упором, полый корпус со сквозным окном в его боковой стенке и с соосно размещенным внутри него на плоскопараллельных пружинах штоком с жестко закрепленным на его конце индентором, смонтированный внутри корпуса с помощью держателя нагружатель индентора, установленный с возможностью перемещения вдоль оси корпуса и кинематически связанный с вышеупомянутым приводом его перемещения через вышеуказанное окно в боковой стенке корпуса, а также средства регистрации усилия нагружения и глубины внедрения индентора, отличающийся тем, что нагружатель индентора выполнен в виде соосно установленных между собой с равномерным зазором сердечника из магнитострикционного материала с аномально большой магнитострикцией и охватывающего его постоянного магнита, причем магнит жестко закреплен в держателе, а сердечник жестко соединен со штоком соосно с ним и является его составной частью, корпус с помощью вышеупомянутого параллелограмма соединен с кареткой, а взаимодействующий с рычажным арретиром упор жестко закреплен снаружи его боковой поверхности.
Основным недостатком прототипа является низкая точность измерений.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение точности измерения микротвердости массивных материалов и покрытий на их поверхности.
В заявляемом устройстве для исследования микромеханических характеристик твердых тел индентированием, содержащем индентор и расположенные внутри корпуса устройства механизм нагружения индентора, датчик усилия нагружения, а также датчик перемещения индентора, причем индентор кинематически связан с механизмом нагружения через датчик усилия нагружения, а механизм нагружения индентора выполнен в виде электромагнита с подвижным штоком, указанный технический результат достигается тем, что, датчик усилия нагружения выполнен в виде тензометрического датчика, на котором жестко закреплено гнездо установки сменных инденторов, а датчик перемещения индентора включает отражательную дифракционную решетку, размещенную на основании гнезда установки сменных инденторов таким образом, что направление штрихов дифракционной решетки перпендикулярно оси перемещения индентора, и считывающую головку, включающую лазер и два фотоприемника и расположенную на корпусе устройства напротив дифракционной решетки таким образом, что каждый из фотоприемников оптически сопряжен с выходом лазера через отражательную поверхность дифракционной решетки.
Кроме того, повышение точности измерений микротвердости в заявляемой полезной модели достигается тем, что лазер установлен таким образом, что его оптическая ось расположена в плоскости перпендикулярной штрихам дифракционной решетки, лазер и фотоприемники расположены симметрично относительно нормали к отражательной поверхности дифракционной решетки, оптические оси лазера и фотоприемников имеют одинаковый угол α к нормали дифракционной решетки, расстояние D между оптическими осями равно
,
где d - период дифракционной решетки, k - целое число, и удовлетворяет условию
laser
D≤D,
laser
где D - световой диаметр лазера.
В заявляемом устройстве реализован ряд условий повышения точности измерений микротвердости. В частности, в устройстве повышена точность нагружения испытуемого материала, поскольку силовая цепь нагружения проходит от электромагнитного механизма нагружения через датчик усилия нагружения и индентор к поверхности исследуемой детали, не имея механической связи с другими элементами устройства. Это исключает непрогнозируемые ошибки измерений, связанные с трением между узлами механизма нагружения и другими элементами устройства. Электромагнитное устройство нагружения не создает вибраций и позволяет создавать любое усилие нагружения индентора без применения сменных грузов. Это дает возможность повысить точность измерений на различных материалах. На датчик усилия нагружения в заявляемой конструкции устройства воздействует минимизированная постоянная нагрузка (вес гнезда с индентором и дифракционной решетки), что позволяет проводить калибровку этого датчика перед каждым измерением и, тем самым, повысить точность контроля усилия нагружения. В заявляемом устройстве в отличие от прототипа исключено соприкосновение датчика усилия нагружения с другими деталями конструкции, что исключает влияние внешних воздействий (трение) на результат измерений. В заявляемой полезной модели применение в качестве датчика усилия нагружения тензометрического датчика обеспечивает повышение точности измерений за счет возможности получения с выхода указанного датчика электрического сигнала, пропорционального усилию нагружения, и дальнейшего использования этого сигнала в схеме управления механизмом нагружения в качестве сигнала обратной связи. Для повышения точности измерения величины перемещения индентора при его нагружении в заявляемом устройстве предложен оптический датчик, включающий отражательную дифракционную решетку, размещенную на основании гнезда установки сменных инденторов таким образом, что направление штрихов дифракционной решетки перпендикулярно оси перемещения индентора, и считывающую головку, включающую лазер и два фотоприемника и расположенную на корпусе устройства напротив дифракционной решетки таким образом, что каждый из фотоприемников оптически сопряжен с выходом лазера через отражательную поверхность дифракционной решетки.
laser
laser
Сущность полезной модели поясняется чертежом. На фиг.1 чертежей показана компоновочная схема заявляемого устройства, на фиг.2 - оптическая схема датчика перемещения индентора, а на фиг.3 - электронная блок-схема устройства. На фиг.1 изображены электромагнитный механизм нагружения, выполненный в виде сердечника 1 с обмоткой, который находится в магнитном поле постоянного магнита 2 и имеет одну степень свободы. Сердечник 1 электромагнита закреплен в центре упругой мембраны 3, края которой жестко связаны с основанием корпуса устройства 4. Тензометрический датчик усилия нагружения 5 выполнен в виде металлического параллелограмма с массивным боковыми частями одной из которых он жестко закреплен на верхнем торце сердечника 1 электромагнита, а на противоположной жестко зафиксировано коническое гнездо для установки сменных инденторов 6 с байонетным замком. Оптический датчик перемещения индентора 6 (см. фиг.1) представляет собой дифракционную решетку 7, закрепленную на торцевой нерабочей поверхности датчика усилия нагружения 5 под основанием гнезда инденторов 6 параллельно его оси, штрихи которой расположены перпендикулярно оси перемещения индентора 6 и считывающую головку 8, закрепленную на внутренней поверхности корпуса 4 и содержащую лазер 9 и два фотоприемника 10 и 11 (см. фиг.2), оптические оси которых находятся в одной плоскости, расположенной перпендикулярно поверхности дифракционной решетки 7 и перпендикулярно ее штрихам. Лазер 9 и фотоприемники 10, 11 расположены симметрично относительно нормали к поверхности дифракционной решетки 7. Оптические оси лазера 9 и фотоприемников 10, 11 имеют одинаковый угол к нормали дифракционной решетки 7, например, α=45°. Расстояние D между оптическими осями фотоприемников равно D=dcos[(2k+1)α/2], где d - период дифракционной решетки 7, k - целое число, и удовлетворяет условию D≤D, где D - световой диаметр лазера 9. В предлагаемом оптическом датчике перемещения индентора 6 световой диаметр фотоприемников 10, 11 не превышает d. Оптические оси фотоприемников 10, 11 пересекают отражательную поверхность дифракционной решетки 7 в точках равноудаленных от точки пересечения поверхности дифракционной решетки 7 оптической осью лазера 9.
Электронная схема устройства (см. фиг.3) включает четыре тензорезистора, соединенные между собой в измерительный мост 12, выход которого электрически связан с входом дифференциального усилителя 13. Выход дифференциального усилителя 13 соединен с входом обратной связи источника тока 14 обмотки сердечника 1 электромагнитного механизма нагружения и входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 15. Выход АЦП 15 соединен с входом контроллера 16, к которому также подключены клавиатура 17, выход считывающей головки 8 оптического датчика перемещения индентора 6, задающий вход источника тока 14, дисплей 18, а так же разъем для подключения персонального компьютера.
Заявляемая полезная модель работает следующим образом:
Оператор с помощью клавиатуры 17 задает контроллеру 16 параметры режима проведения измерения микротвердости, в частности, усилие нагружения индентора 6, скорость его внедрения в исследуемый образец, время удержания под нагрузкой и т.д. В процессе ввода параметры режима отображаются на дисплее 18. По окончании ввода параметров оператор с помощью клавиатуры 17 подает на контроллер 16 команду проведения измерения микротвердости. Далее контроллер 16 вырабатывает аналоговый сигнал пропорциональный усилию, которое надо приложить к индентору 6 с заданной зависимостью от времени. Этот сигнал поступает на задающий вход источника тока 14, источник тока начинает повышать ток в обмотке сердечника 1, что приводит к его перемещению. Вместе с сердечником 1 перемещается датчик усилия нагружения 5, закрепленный на торце сердечника 1, и закрепленное на нем гнездо сменных инденторов с установленным в нем индентором 6. Перемещение датчика усилия нагружения 5 приводит к перемещению дифракционной решетки 7 относительно считывающей головки 8, в результате чего на фотоприемниках 10, 11 возникают синусоидальные сигналы со смещенными относительно друг друга фазами. Сигнал с выхода считывающей головки 8 передается на вход контроллера 16, в котором вырабатывается направление и величина перемещения индентора 6. В момент касания индентором поверхности исследуемого образца начинает возрастать усилие, прикладываемое к датчику усилия нагружения 5. Увеличение указанного усилия приводит к разбалансу измерительного моста 12 тензорезисторов и появлению на его выходе напряжения пропорционального усилию.. Напряжение с измерительного моста 12 усиливается усилителем 13 и с его выхода поступает на вход цепи обратной связи источника тока 14 электромагнита и останавливает нарастание тока в обмотке сердечника 1, причем малейшее колебание в системе от внешней вибрации приводит к автоматическому урегулированию усилия на индентор 6. Усиленное напряжение с выхода усилителя 13 также поступает на вход АЦП 15 и с его выхода в цифровом виде поступает на контроллер 16, который вырабатывает аналоговый сигнал для следующей точки диаграммы нагружения, так же фиксирует показания оптического датчика перемещения индентора 6 в момент касания образца и при последующем проведении нагружения, выдержке времени и разгружении. Последовательность операций, выполняемых заявляемым устройством после ввода оператором в контроллер 16 команды измерения микротвердости, повторяется несколько тысяч раз в секунду, что обеспечивает высокую точность реализации алгоритма нагружения как по усилию нагружения, так и по глубине внедрения индентора 6, а так же его точное удержание при выдержке времени под нагрузкой. Результат измерений отображается на дисплее 18. При подключении к контроллеру 16 персонального компьютера функции ввода данных и отображения результатов измерений передаются также и на него.
Предлагаемое устройство позволяет проводить линейное, ступенчатое и циклическое нагружение исследуемых образцов с контролем усилия нагружения или глубины внедрения, непрерывно регистрировать зависимость глубины внедрения индентора от нагрузки в процессе нагружения, при выдержке времени под постоянной нагрузкой и при снижении усилия нагружения. Это дает возможность контролировать предел прочности, пластическую и упругую деформацию исследуемых материалов.