Склерометр

МПК I G 01 N 3/46
Склерометр
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при исследовании механических свойств поверхностных слоев материалов методом динамического царапания.
Известна конструкция маятникового склерометра, включающая корпус, столик для крепления образцов, маятник с индентором, спусковое и стопорное устройства, втулку с закрепленным упругим элементом и тензометрическими датчиками См., авторское свидетельство СССР № 1226148, G 01 N 3/46, 1982.
Склерометр описанной конструкции, достаточно точно в сравнении со склерометрами статического типа моделирует разрушение, производимое единичной абразивной частицей и позволяет определять показатели механических свойств по максимальной глубине царапины и соответствующей ей тангенциальной составляющей усилия царапания. Однако он не позволяет достоверно определять характер изменения механических свойств материала по глубине от поверхности, следствием чего является снижение точности определения механических характеристик материалов.
Наиболее близким по технической сущности является маятниковый склерометр, содержащий установленный на основании корпус, в верхней части которого размещен столик для крепления образца, узел продольноосевого перемещения образца и измеритель этого перемещения, фиксатор
положения образца, маятник с индентором на верхнем конце штока, пусковой, стопорный и измерительный узлы См., патент РФ № 2141106 С1, 6 G 01 N3/46, 1998.
Склерометр описанной конструкции моделирует скольжение единичной абразивной частицы по поверхности материала и позволяет определять локальные механические характеристики поверхностных слоев материалов по максимальной глубине царапины и соответствующей ей максимальной тангенциальной силе царапания. Однако он не позволяет проводить испытания на динамическое царапание структурно неоднородных по глубине материалов с определением характера изменения их свойств по мере удаления от поверхности, что снижает информативность испытаний и функциональные возможности устройства.
Настоящее изобретение направлено на повышение достоверности определения механических характеристик покрытий и материалов, имеющих градиент свойств по глубине, и повышение информативности испытаний методом динамического царапания.
Сущность изобретения заключается в том, что склерометр, включающий корпус, размещенный в его верхней части столик для крепления образца, установленный в корпусе на оси двуплечий маятник с индентором на верхнем конце, пусковой, стопорный и измерительный узлы, снабжен дополнительным измерительным узлом, выполненным в виде датчика, например, индуктивного, непрерывной регистрации углового перемещения про2jj l
дольной оси индентора в плоскости качания маятника. Подвижный элемент датчика смонтирован на оси качания маятника, а неподвижный элемент жестко соединен с основанием корпуса. В качестве подвижного элемента может быть использован секторный якорь, в качестве неподвижного элемента ш-образный сердечник с катушками.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фигЛ показан общий вид склерометра, вид спереди; на фиг.2 - то же, вид сбоку; на фиг.З - измерительная схема; на фиг.4 - схема определения глубины царапины по известной угловой координате продольной оси индентора.
Корпус склерометра 1 установлен на основании 2 (см. фигЛ). В корпусе на оси 3 закреплен с возможностью качания маятник 4, представляющий собой двуплечий рычаг. На верхней части маятника закреплен индентор 5 (твердосплавный конус от твердомера Роквелла с углом при вершине IIO). На нижней части маятника находятся упругий элемент 6 с тензорезисторами 7 и груз 8. Ось 3 лежит на двух шариковых подшипниках, установленных в корпусе (не показаны). Образец 9 закреплен в столике 10 таким образом, что одним торцем упирается в поджатую пружинами пластину 11, а другим - в регулировочный винт 12, закрепленный во втулке 13 (см. фиг.2). Для контроля продольно-осевого перемещения образца предусмотрен индикатор перемещения 14. Для контроля момента контакта образца с индентором предусмотрены сигнальная лампа световой индикации 15 и батарея питания (не показана). Образец фиксируется в столике в радиальном направлении прижимным винтом 16. Для непрерывной регистрации углового перемещения продольной оси индентора в плоскости качания маятника установлен индуктивный датчик, основными элементами которого являются секторный якорь 17 и ш-образный сердечник 18с катушками 19, 20. Секторный якорь 17 закреплен на оси маятника 3 гайкой 21. Сердечник 18с катушками 19, 20 скобами 22 фиксируется на опоре 23, которая в свою очередь жестко крепится к корпусу склерометра 1. В склерометре предусмотрены пусковое 24 и стопорное 25 устройства. Тензометрические датчики 7 подключены к усилителю 26, усилитель через демодулятор 27 подключен к аналого-цифровому преобразователю (АЦП) 28, который в свою очередь соединен с персональной ЭВМ 29 (см. фиг.З). Катушка возбуждения 19 датчика угловых перемещений (ДУП) подключена к блоку питания 30, а вторичные катушки 20 через демодулятор 27 соединены с тем же АЦП 28, соединенным с ЭВМ 29.
Маятниковый склерометр работает следующим образом. Образец 9 устанавливают в столик 10, при этом маятник 4 находится в положении равновесия (вертикально). Вращением регулировочного винта 12 перемещают образец 9 в продольно-осевом направлении до соприкосновения нижней торцевой поверхности образца с индентором 5. В момент касания индентора с образцом замыкается электрическая цепь, в которую включены батарея питания и сигнальная лампа 15, при этом лампа загорается. Затем маятник 4 отводят в исходное положение и фиксируют в пусковом устройстве 24. Для задания необходимой глубины лунки в среднем ее сечении вращением регу4M Sll i
лировочного винта 12 перемещают образец в продольно-осевом направлении, контролируя величину перемещения индикатором 14. Фиксирование образца в выбранном положении осуществляется прижимным винтом 16. Маятник 4 освобождается пусковым устройством 24 и под действием силы тяжести совершает рабочий ход. При рабочем ходе маятника индентор 5 прорезает в образце 9 лунку-царапину. Стопорное устройство 25 препятствует повторному качанию маятника. Одновременно с пуском маятника 4 происходит автоматический запуск измерительной аппаратуры с помощью контактной пары, установленной на пусковом устройстве. Тензометрический измерительный узел работает следующим образом. При прорезании в образце 9 лунки-царапины индентором 5 пропорционально тангенциальной силе царапания деформируется упругий элемент 6, деформация которого преобразуется тензометрическими датчиками 7 в электрический сигнал. Электрический сигнал, несущий информацию о тангенциальной силе царапания, усиливается, демодулируется, преобразуется аналого-цифровым преобразователем в цифровой код и подается в ЭВМ для последующей обработки. Узел измерения угловых перемещений индентора работает следующим образом. Катушка возбуждения 19 ш-образного сердечника 18 запитывается от блока питания 30 переменным электрическим током. При перемещении секторного якоря 17 изменяется величина магнитного потока, сцепленного с обмотками, следствием чего является пропорциональное угловому перемещению индентора изменение амплитуды электрического сигнала, снимаемо il C/Z f f
го с вторичных катушек 20. Далее выделяется текущее значение амплитуды сигнала, которое преобразуется аналого-цифровым преобразователем в цифровой код и вводится для последующей обработки в ЭВМ.
При известном угловом положении продольной оси индентора Лд), известном расстоянии г от оси вращения О до острия наконечника индентора и угле а (см. фиг.4) текущее значение глубины лзшки рассчитывается по формуле:
/z  rsinasinA9-2rcosasin -
Таким образом, регистрируя угловое положение продольной оси индентора в плоскости качания маятника Ag)(p(t) и используя последнюю зависимость, получаем глубину царапины как функцию по времени (t).
Настоящее устройство позволяет автоматически строить диаграмму динамического царапания  - /г, на основе которой представляется возможным определять дополнительные характеристики материала при царапании, которые можно рассматривать как аналоги механических характеристик:
-силовые аналоги
dR  dR  dt  J/2 ; j; ; 2 ;
-кинетические аналоги