УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ

Устройство для измерения механических свойств материалов относится к области контроля физико-механических свойств материалов с использованием сканирующих зондовых микроскопов, в частности к устройствам, предназначенным для измерения механических свойств материалов и определения параметров рельефа (линейные размеры структур и шероховатость) на субмикронном масштабе.
В современных технических решениях широко используют нанотвердомеры, осуществляющие измерения механических свойств путем внедрения твердого наконечника в поверхность с последующим анализом значений силы и перемещения, измеренных в ходе нагружения и разгрузки наконечника. Сканирующие зондовые микроскопы широко используют для измерения топографии поверхности путем ее сканирования различными зондами.
Известны устройства, сканирующие нанотвердомеры, позволяющие измерять рельеф, а также механических свойства поверхности методом наноиндентирования, используя для этого один и тот же зонд (US 6026677, МПК G01N 3/42; G01G 7/06; G01P 15/125, от 01.10.1993, Bencomo-Cisneros J.A., Tejeda-Ochoa Α.,  J.A.,  C.A.,  Α.,  R.,  J.M. Characterization of Kevlar-29 fibers by tensile tests and nanoindentation // J. Alloys Compd. 2012. Vol.536. P. S456-S459. Данные устройства содержат измерительную головку, которая закреплена на массивной станине. Под головкой закреплен образец. Такая конфигурация устройств и конструкция измерительных головок предполагает наличие плоского образца ограниченных размеров. Таким образом, недостатком вышеперечисленных технических устройств является невозможность проведения измерений на внутренних поверхностях полостей.
Известны миниатюрные наноинденторы, при помощи которых возможно проводить индентирование в рабочем пространстве сканирующих электронных микроскопов (ЕР 1982408, МПК H02N 1/08, от 08.02.2006; CN 103645199, МПК G01N 23/04, от 17.09.2013). Эти устройства предназначены для измерения свойств хорошо подготовленных небольших образцов, расположенных в электронном пучке. Таким образом, несмотря на миниатюрность данных устройств и их работоспособность в условиях ограниченного пространства, их конструкция, разработанная в соответствии с их функциональным предназначением, не позволяет использовать их для контроля внутренних поверхностей.
Известно устройство для измерения физико-механических свойств материалов (RU 2425356, МПК G01N 3/40; В82В 1/00, приоритет от 18.11.2009), содержащее пьезоэлектрический стержень с двумя внешними и одним разделительным электродом, дополнительный пьезоэлектрический стержень образующий с другим стержнем камертонную конструкцию, индентор, размещенный на одном из концов стержня, схему возбуждения, схему детектирования и управляемый источник напряжения. Данное устройство может быть является составной частью сканирующего нанотвердомера и используется в качестве чувствительного элемента.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является сканирующий нанотвердомер, содержащий пьезорезонатор, в виде камертона соединенный с блоком возбуждения и с блоком детектирования, при этом на одном из стержней пьезорезонатора закреплен индентор. Данный нанотвердомер дополнительно снабжен трехкоординатным позиционером, содержащим платформу, расположенную на пьезоэлектрических приводах и емкостные датчики перемещения, которые с пьезоэлектрическими приводами сопряжены с блоком управления перемещением, подключенным, в свою очередь, к блоку обратной связи и ЭВМ, одновременно с этим ЭВМ и блок обратной связи соединены с блоком детектирования, и между собой, а пьезорезонатор установлен на механизме перемещения относительно исследуемого объекта и снабжен датчиком изгиба, подключенным к ЭВМ, а индентор выполнен в виде алмазного наконечника (патент на полезную модель RU №96428, МПК G01N 3/40, G01N 3/42, G01N 3/48, от 18.03.2010)
Данное устройство предназначено для измерения прежде всего плоских образцов (с бесконечным радиусом кривизны), с учетом типичных размеров измерительной головки, минимальный радиус кривизны измеряемых с внутренней стороны образца составляет порядка 10 см.
Задачей, на решение которой направлено данное техническое решение является обеспечение проведения измерений механических свойств и шероховатости внутренних поверхностей различных изделий без их разрушения.
Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве, содержащем пьезорезонатор в виде камертона с закрепленным на одном из стержней алмазным индентором, соединенным с блоком возбуждения и с блоком детектирования, а также снабженным оптическим датчиком изгиба, отличающееся тем, что пьезорезонатор закрепляют в миниатюрном держателе, который закрепляют в штоке, который в свою очередь соединен с блоком линейных трансляторов, обеспечивающих его позиционирование в пространстве.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является возможность измерения физико-механических свойств на внутренних поверхностях материалов, например, снятия линейных профилей поверхностей за счет перемещения пьезорезонатора, выполненного в форме камертона, с помощью линейного транслятора параллельно поверхности, а также измерение отношения квадрата модуля упругости к твердости внутренней поверхности При этом система обратной связи подает необходимое для поддержания заданного сдвига резонансной частоты напряжение на центральный стержень пьезорезонатора, в результате чего реализуется скольжение индентора по поверхности образца с поддержанием постоянной контактной жесткости. Профиль внутренней поверхности образца строится в соответствии с изменением сигнала оптического датчика изгиба пьезорезонатора в виде камертона.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых изображена патентуемая полезная модель.
На фиг. 1 показана общая схема устройства с пьезорезонатором в виде камертона 1, штоком 2, линейным транслятором оси X 3, линейным транслятором оси Y 4 и линейным транслятором оси Ζ 5. На фиг. 2 приведен вид миниатюрного держателя пьезорезонатора на штоке, цифрами 6 и 7 обозначены верхний и нижний стержень пьезорезонатора в виде камертона, цифрой 8 - центральный стрежень пьезорезонатора. На фиг. 3 приведен вид держателя пьезорезонатора сверху. Цифрой 9 обозначен алмазный наконечник, На держателе пьезорезонатора расположены источники 10 и приемники 11 оптического излучения, которые вместе составляют оптический датчик изгиба. Цифрой 12 обозначен световой поток. На фиг. 4 изображена зависимость отношения квадрата модуля упругости к твердости, измеренная внутри стальной трубы. На фиг. 5 изображен профиль внутренней поверхности стальной трубы.
Работа устройства в режиме измерения профиля внутренней поверхности стальной трубы осуществляют следующим образом: линейный транслятор оси X 3 перемещает шток 2 с пьезорезонатором внутрь отверстия, где необходимо провести измерения. Затем линейный транслятор оси Ζ 5 перемещает шток 2 в направлении к внутренней поверхности. Касание алмазного наконечника 9 поверхности приводит к изгибу центрального стержня пьезорезонатора, которое фиксируется оптическим датчиком. В момент касания линейный транслятор оси Ζ 5 останавливается. Затем, линейный транслятор оси X 3, перемещает пьезорезонатор в виде камертона вдоль направления снятия профиля, при этом сигнал обратной связи, подаваемый на пьезорезонатор обеспечивает постоянную жесткость контакта путем подачи напряжения на центральный стержень 8. При этом регистрируют сигнал приемника оптического излучения, который соответствует форме поверхности.
2
2
2
2
2
2
2
Работа устройства в режиме измерения отношения квадрата модуля упругости к твердости внутренней поверхности осуществляют следующим образом: так же как и при измерении профилей производят подвод пьезорезонатора к внутренней поверхности. Затем на центральный стержень 8 подают напряжение, изгибающее его в направлении к поверхности. Во время внедрения наконечника в образец с помощью оптического датчика регистрируют силу, приложенной к образцу. Дополнительно регистрируют сдвиг резонансной частоты колебаний. Отношение квадрата модуля упругости к твердости Е/Н рассчитывают по отношению квадрата сдвига резонансной частоты Δf к приложенной силе F, помноженной на постоянный для каждого прибора коэффициент с, определенный в процессе калибровки на эталонном образце: Е/Н=c·Δf/F (Маслеников И.И., Решетов В.Н., Логинов Б.А., Усеинов А.С. Картографирование механических свойств наноструктурированных материалов с помощью пьезорезонансного зонда // Приборы и техника эксперимента. 2015. №2-3); для использованного зонда данный коэффициент составил 1560 H/Гц·м.
Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает возможность проведения измерений механических свойств и шероховатости внутренних поверхностей различных изделий без их разрушения.
Устройство было использовано для измерения профиля внутренней поверхности стальной трубы. Результаты измерения представлены на фигуре 5. Устройство также было использовано для измерения отношения квадрата модуля упругости к твердости внутренней поверхности стальной трубы. Результаты измерения представлены на фигуре 4: отношение квадрата модуля упругости к твердости составило ~10 ТПа; учитывая модуль упругости стали 200 ГПа, по данному отношению можно определить твердость материала: в рамках данного эксперимента она составляет ~4 ГПа.