СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МОДИФИЦИРОВАННОГО ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ МАТЕРИАЛА ИЗДЕЛИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR DETERMINING PHYSICO-MECHANICAL CHARACTERISTICS OF MODIFIED SURFACE LAYER OF PRODUCT MATERIAL AND DEVICE FOR IT

Изобретение относится к измерительной технике для измерения микромеханических характеристик внутренних поверхностей изделий, в частности для контроля физико-механических свойств внутренних поверхностей сквозных и глухих отверстий с тонким покрытием, например упрочненных поверхностей трения.
Известен способ определения твердости и модуля упругости компактных материалов инструментальным индентированием [ГОСТ Р 8.748-2011 (ИСО 14577-1:2002) ГСИ. Металлы и сплавы. Измерение твердости и других характеристик материалов при инструментальном индентировании. Часть 1. Метод испытаний]. В этом способе используется прибор-твердометр, с помощью которого производят нагружение (внедрение) алмазного пирамидального наконечника в поверхность изделия. Записывают диаграмму изменения величины нагрузки с увеличением глубины внедрения. Твердость материала определяют как отношение максимальной приложенной нагрузки разделенной на площадь поперечного сечения контактной поверхности между индентором и испытуемым образцом. Площадь поперечного сечения контактной поверхности между индентором и испытуемым образцом определяется по кривой разгружения и функции площади индентора. По кривой разгружения также определяют податливость в месте контакта по диаграмме при максимальной нагрузке. Используя значение податливости и площади поперечного сечения контактной поверхности между наконечником и испытуемым образцом, находят приведенный модуль упругости в области индентирования. Модуль упругости материала компактного тела вычисляют по зависимости связывающей приведенный модуль упругости с упругими характеристиками исследуемого материала и материала индентора.
Недостатком этого способа является высокая чувствительность к различным факторам, влияющим на точность измерений и достоверность получаемых данных. Оценка модуля упругости в этом методе производится на стадии разгрузки индентора после того как на поверхности образовался пластический отпечаток. При этом под индентором образуется область деформационного упрочнения материала, что не учитывается в расчетных формулах и приводит к погрешности измерения величины твердости и модуля упругости измеряемого образца. Определение твердости и модуля упругости тонких покрытий этим способом приводит к значительной погрешности получаемых значений, т.к. не учитывается влияние основы на свойства покрытия.
Целью предлагаемого изобретения является обеспечение высокой точности измерения и достоверности получаемых данных при комплексной оценке параметров физико-механических свойств внутренних поверхностей сквозных и глухих отверстий с тонким модифицированным покрытием в режиме одного технологического измерения.
Решение поставленной задачи достигается за счет предложенного способа определения физико-механических характеристик модифицированного поверхностного слоя полых изделий, имеющего поверхностно-слоистое твердое тело - топокомпозит, заключающегося во внедрении упругого индентора в криволинейную внутреннюю поверхность топокомпозита в диапазоне глубин внедрения от единиц нанометров до десятка микрометров, при этом осуществляется регистрация данных измерения, а также их обработка с использованием теоретических аналитических зависимостей, описывающих механику нормального контактного взаимодействия упругого сферического индентора с покрытием из топокомпозита в области упругопластического деформировании последнего, по совокупности нескольких показателей, а именно твердости и модуля упругости покрытия, композиционной твердости и модуля упругости топокомпозита, которые определяются по формулам:
- модуль упругости находится как:
0
0
где E, μ - модуль нормальной упругости и коэффициент Пуассона материала основы;
и
и
E, μ - модуль нормальной упругости и коэффициент Пуассона материала индентора;
1
1
E, μ  - модуль нормальной упругости и коэффициент Пуассона материала покрытия;
1
0
экс
и
К, К, К, К - величины приведенного коэффициента упругости покрытия, основы, из эксперимента и индентора.
1
При этом μ вычисляют по результатам расчета модуля упругости покрытия по известным зависимостям по кривой разгружения.
- композиционный модуль упругости топокомпозита определяется как:
с
где E - модуль упругости материала слоистого тела;
Ф - упруго-геометрический параметр, диапазон существования которого  для ;
0
t - толщина поверхностного слоя слоистого полупространства, моделирующего реальное слоистое тело с покрытием h;
- предельный радиус пятна контакта, рассчитываемый для среды с упругими характеристиками материала основы при упругом внедрении в нее сферического индентора радиуса R с силой P;
a
0
- радиус пятна контакта;
1
2
3
i
1
2
3
j
A, A, A, …A, B, B, B, …B - коэффициенты двухточечной Паде-аппроксиманты.
- твердость покрытия находится как:
при
экс
где P - нагрузка на инденторе;
с
A - площадь отпечатка;
s - глубина внедрения индентора;
h - толщина покрытия.
s* - предельная глубина внедрения индентора для определения границы существования истинной твердости покрытия исследуемой поверхности с топокомпозитной структурой.
- композиционная твердость топокомпозита находится как:
0
где H - твердость основы;
- предельный упругогеометрический параметр в области глубин внедрения больших, чем 0,1 толщины покрытия, рассчитывается по аналитической зависимости;
- текущее значение относительной толщины покрытия;
- предельный радиус отпечатка, соответствующий переходу от упругой деформации к пластической при внедрении в поверхность слоистого тела сферического индентора.
Практический способ реализуется следующим образом:
Способ и устройство для определения твердости и модуля упругости покрытия, а также композиционных твердости и модуля упругости топокомпозита, заключающиеся в том, что определяют толщину покрытия и модуль упругости материала основы известными методами (ГОСТ Р 55042-2012, ГОСТ 1497-84), вводят измерительный модуль с индентором в отверстие исследуемого изделия на заданное расстояние, производят нагружение (внедрение) алмазного пирамидального наконечника в поверхность изделия без покрытия и в поверхность того же изделия, имеющего покрытие известной толщины, на глубину, превышающую 0,1 толщины покрытия, записывают диаграммы изменения величины нагрузки с увеличением глубины внедрения.
Определение твердости проводят известным способом по формуле:
i=6÷10
экс
с
где P - нагрузка на инденторе, A - площадь поперечного сечения контактной поверхности между индентором и испытуемым образцом определяется по кривой разгрузки и функции площади индентора, h - толщина покрытия, s - глубина внедрения в материал основы и материал с покрытием, s* - предельная глубина внедрения индентора для определения границы существования истинной твердости покрытия исследуемой поверхности с топокомпозитной структурой.
Отличительной особенностью этого способа является то, что определение твердости ведется по 6-10 значениям и в более широкой области значений относительной глубины внедрения  чем известное решение, что повышает точность измерений и достоверность получаемых данных. Значение s* рассчитывается по известной методике (Воронин Н.А. Теоретическая оценка композиционной и истинной твердости тонких покрытий. Трение и смазка в машинах и механизмах. 2011, №7. с. 11-21).
экс
экс
таб
Определение модуля упругости тонкого покрытия проводят, используя диаграммы изменения величины нагрузки с увеличением глубины внедрения, по которым получают массив данных (или функциональную зависимость) изменения параметра , который обозначается как M, значения входящих в данный параметр величин определяются при равных по величине значениях нагрузки, от относительной глубины внедрения  сравнивают с теоретически рассчитанным массивом данных (или аналитическими зависимостями) изменения параметра  для ряда дискретных значений величины контактного модуля упругости К от относительной глубины внедрения индентора в поверхность модели слоистого тела, имитирующего поверхность изделия с покрытием, определяют модуль нормальной упругости материала покрытия по результатам максимального совпадения значений параметра M, полученного из эксперимента, с набором значений параметра M с определенным значением K, в диапазоне от 0,2 до 1,0 значений относительной глубины внедрения индентора , используя следующие зависимости и обозначения:
i=1…n;
j=1…k;
где
и
и
экс
таб
экс
С учетом упругости индентора контактный модуль упругости определяется как  где  (E, μ - модуль нормальной упругости и коэффициент Пуассона материала индентора). Сопоставляя массив значений M, полученных из эксперимента инструментального внедрения для исследуемого изделия с покрытием, с табличным массивом M, можно определить численно и графически контактный модуль упругости K. Модуль Юнга покрытия определяют по формуле:
0
0
1
0
и
0
экс
и
0
1
и
0
c
1
2
3
i
1
2
3
j
a
где Ф - упругогеометрический параметр, диапазон существования которого  для  t - толщина поверхностного слоя слоистого полупространства, моделирующего реальное слоистое тело с покрытием h;  - радиус пятна контакта;  - предельный радиус пятна контакта, рассчитываемый для среды с упругими характеристиками материала основы при упругом внедрении в нее сферического индентора радиуса R с силой P. Под предельным радиусом понимается радиус области контакта, при котором в твердом однородном теле при внедрении в его поверхность жесткого сферического индентора возникает пластическая деформация; E, E, E - модули нормальной упругости материалов покрытия, основы (подложки) и индентора, К, К, К- величины контактной упругости основы, из эксперимента и индентора, μ μ μ - коэффициенты Пуассона материала основы, покрытия и индентора, h - толщина покрытия,  - текущее значение относительной толщины покрытия, s, s - текущая глубина внедрения в материал основы и материал с покрытием (слоистое тело);  - предельный радиус отпечатка, соответствующий переходу от упругой деформации к пластической при внедрении в поверхность слоистого тела сферического индентора; A, A, A, …A, B, B, B, …B - коэффициенты двухточечной Паде аппроксиманты, рассчитываемые по известным формулам (Н.А. Воронин. Расчет параметров упругого контакта и эффективных характеристик топокомпозита для случая взаимодействия последнего со сферическим индентором. Трение и износ, 2002, т. 23, №6, с. 583-596).
Отличительной особенностью этого способа является то, что коэффициент Пуассона покрытия определяется в результате использования значения модуля упругости материала покрытия, как компактного тела, определяемого известным способом [ГОСТ Р 8.748-2011] по кривой разгрузки, что приводит к повышению точности определения модуля упругости покрытия по заявляемому способу. В известных способах определения модуля упругости покрытия коэффициент Пуассона покрытия приравнивается к коэффициенту Пуассона основы.
Композиционный модуль упругости топокомпозита определяется аналитически по формуле:
0
где E - модуль нормальной упругости материала основы, Ф - упругогеометрический параметр.
Определение композиционной твердости топокомпозита производится аналитически по формуле, используя данные по модулям упругости и твердости компонентов слоистой системы:
0
где H - твердость основы,  - предельный упругогеометрический параметр, диапазон существования которого  для 0≤h≤∞, .
0
Предельный упругогеометрический параметр  и связь модельного слоя t с толщиной покрытия в области глубин внедрения больших, чем 0,1 толщины покрытия, рассчитывается по аналитической зависимости:
для глубин внедрения меньше, чем 0,1 толщины покрытия, рассчитывается по аналитической зависимости:
для глубин внедрения от 0,5 и более толщины покрытия рассчитывается по аналитической зависимости:
(Воронин Н.А. Теоретическая оценка композиционной и истинной твердости тонких покрытий. Трение и смазка в машинах и механизмах. 2011, №7, с. 11-21).
Данный способ может быть реализован в предлагаемом устройстве для осуществления способа, содержащее массивное основание, на котором расположена подвижная стойка с вращающейся площадкой, на которой закреплена располагаемая внутри детали штанга с возможностью перемещения ее по трем осям и вращения вокруг своей оси с помощью расположенных на стойке приводов, а также установленный на штанге люнет, на хвостовике штанги установлена цифровая камера и консольно закрепленный измерительный модуль, включающий в себя алмазный индентор и датчики перемещения по трем осям и осевого вращения, связанные с блоком управления, оснащенный компьютером и имеющий в своем составе котроллеры управления приводами, измерительного модуля, компьютер имеет в своем составе контроллер люнета, люнет может быть выполнен в виде рычажного механизма на основе гигантской магнитосрикции опорных элементов, или сменной стержневой опоры с пружинным приводом, или промежуточной калиброванной эллиптической опоры, причем измерительный модуль, включающий в себя дополнительно датчик глубины внедрения индентора, может быть выполнен как емкостного так оптического типа, или на основе линейного дифференциального трансформатора.
Указанное устройство представлено на следующих фиг. 1-6:
Фиг. 1 - эскиз прибора;
Фиг. 2 - эскиз основания и стойки с штангой;
Фиг. 3 - схема штанги с люнетом, вариант 1;
Фиг. 4 - схема штанги с люнетом, вариант 2;
Фиг. 5 - схема штанги с люнетом, вариант 3;
Фиг. 6 - схема блока управления.
Предлагаемое устройство предназначено для измерения физико-механических свойств материалов покрытий внутренних поверхностей сквозных и глухих отверстий изделий 1, содержащих массивное основание 2, на котором расположена подвижная стойка 3 с вращающейся площадкой 4, на которой закреплена располагаемая внутри отверстий изделия 1 штанга 5 с возможностью перемещения ее по трем осям и вращения вокруг своей оси с помощью расположенных на стойке приводов, а также установленный на штанге люнет, состоящий из рычагов 6, 7. На хвостовике штанги 5 установлена цифровая камера 8 и консольно закрепленный измерительный модуль 9, включающий в себя алмазный индентор (не показан), датчики перемещения по трем осям и осевого вращения и дополнительно датчик глубины внедрения 10, связанные с блоком управления 11, оснащенным компьютером 12 с программным обеспечением и имеющий в своем составе котроллер управления приводами 13, котроллер измерительного модуля 14 и котроллер люнета 15.
Люнет может быть выполнен в различных вариантах:
2
Вариант 1 (фиг. 3): Люнет выполнен в виде двух рычагов 6, 7, шарнирно соединенных между собой в средней части одного из них, при этом один конец люнета 6 шарнирно соединен с хвостовиком штанги 5, другой конец 7 закреплен к ее средней части, а третий свободный конец рычага 7 упирается во внутреннюю поверхность изделия 1. Рычаги 6, 7 выполнены из магнитострикционного материала на основе сплава или системы сплавов редкоземельных металлов с железом, в частности (Tb и/или Sm, Dy, Er и т.д.) Fe, и имеют свойство деформации (удлинения) при наложении на него магнитного поля (свойство магнитострикции). Поверх рычагов располагается магнитная катушка 16, которая при подаче на нее напряжения с контроллера люнета 15 генерирует магнитное поле, что приводит к удлинению рычагов 6 и 7, один из которых упирается свободным концом во внутреннюю поверхность изделия 1.
Вариант 2 (фиг. 4): Люнет выполнен в виде сменной стержневой опоры 17, крепящейся нижним концом к двойной плоской пружине 18, а верхним концом упирается в изделие 1. Пружина левым концом закрепляется в штанге 5, а правым через тягу 19 и резьбовую втулку 20 соединяется с приводным рычагом 21. Рычаг 21, поворачиваясь в резьбовой втулке 20, давит на тягу 19, которая сжимает плоскую пружину 18 и стержневая опора 17 поднимается, упираясь в изделие 1 с противоположной стороны от индентора. Стержневая опора сменная и меняется в зависимости от внутреннего диаметра изделия.
Вариант 3 (фиг. 5): Люнет выполнен в виде промежуточной калиброванной эллиптической опоры 22. Опора 22 плотно надевается на штангу 5. После ввода хвостовика штанги в изделие 1 и позиционирование измерительного модуля 9 на место измерения эллиптическая опора 22 вручную вводится в отверстие изделия 1, жестко фиксируя штангу внутри изделия 1. Промежуточная калиброванная эллиптическая опора является сменной и меняется в зависимости от внутреннего диаметра изделия.
Способ реализуется с помощью предлагаемого устройства, которое позволяет проводить измерение физико-механических свойств внутренних поверхностей сквозных и глухих отверстий в режиме одного технологического процесса диагностирования. Для проведения измерений в устройстве используется прецизионный малогабаритный измерительный модуль, способный размещаться и работать при минимальном диаметре отверстия 30 мм или больше и позиционно перемещаться на глубину. Проводить измерения на расстоянии от среза отверстия в диапазоне величин от непосредственно вблизи среза отверстия до 10-кратного значения диаметра отверстия, в диапазоне глубин внедрения от единиц нанометров до десятка микрометров, т.е. в диапазоне, перекрывающем установленные стандартами глубины внедрения для проведения измерения нанотвердости и микротвердости.
Работа на приборе осуществляется следующим образом:
Изделие 1 устанавливают на призму основания 2. Используя программное обеспечение персонального компьютера 12, задают необходимые параметры измерения и нажимают кнопку запуска измерений. С компьютера подается управляющий сигнал на блок управления 11, который производит позиционирование измерительного модуля 9 на ось измеряемого изделия вдоль осей Y и Z через блок управления 11 и контроллер приводами 13. С помощью привода стойка 3 осуществляет поступательное перемещение вдоль оси X навстречу измеряемому изделию, тем самым вводя штангу 5 с настраиваемым люнетом 6, 7 и измерительным модулем 9 вовнутрь исследуемого изделия на заданную в программе величину. Визуальный контроль за движением штанги осуществляют с помощью цифровой камеры 8. Затем производится поворот штанги с измерительным модулем 9 на заданный в программе угол за счет вращения площадки 4 с помощью поворотного привода, перемещение штанги в радиальном направлении к поверхности и позиционирование измерительного модуля над исследуемой областью поверхности. Далее производится автоматическая фиксация штанги 5 с измерительным модулем 9 внутри изделия через контроллер 15 с помощью выдвигающихся частей люнета 6, 7, или поворотом рычага 21, приводящего его к сжатию пружины 18 и подъему стержневой опоры 17 с упором в изделие 1, или введение эллиптической опоры 22 в отверстие изделия 1. После этого производится микромеханическая характеристика внутренней поверхности изделия с помощью внедрения индентора измерительного модуля 9, например алмазной пирамиды Виккерса. Для нагружения и перемещения задействуются пьезокерамические движители головки индентора, а измерение производится датчиком глубины внедрения через блок управления 11. Таким образом, за одно измерение получают весь спектр физико-механических характеристик внутренней поверхности с тонким покрытием на изделии. После завершения измерений через контроллер 15 происходит складывание частей люнета 6, 7, или поворотом рычага 21 происходит разжатие пружины 18 и опускание стержневой опоры 17, или снятие эллиптической опоры 22 и измеряемый модуль перемещается в новую точку измерений угловым или линейным перемещением. Процесс внедрения индентора записывается в виде диаграммы нагружения в координатах «нагрузка - глубина внедрения», автоматической обработкой которой по заявляемому способу получают комплекс физико-механических свойств исследуемого тонкого покрытия, такие, например, как твердость и модуль упругости покрытия, а также композиционные твердость и модуль упругости топокомпозита и т.д.