ПРИБОР ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТВЕРДЫХ ТЕЛ ИНДЕНТИРОВАНИЕМ

Предлагаемый прибор относится к области определения механических свойств твердых тел путем внедрения индентора в исследуемую поверхность и касается конструкции микротвердомера с непрерывной записью диаграммы его внедрения в координатах «нагрузка - глубина внедрения».
Известен прибор для измерения твердости материалов (а.с. №1439463 кл. G01N, 3/42), содержащий основание, предметный столик для образца, корпус измерительной системы, внутри которого и соосно с ним расположены шток с индентором на конце и нагружатель, в качестве которого использован пьезокерамический стержень. Кроме этого прибор содержит средства измерения нагрузки и глубины внедрения индентора, возбудитель механических колебаний штока индентора и преобразователь этих колебаний в электрические сигналы, которые могут быть выполнены как в виде пьезопреобразователей, так и в виде индуктивных катушек. Перемещение и нагружение индентора обеспечивается подачей возрастающего напряжения на пьезокерамический стержень, удлинение которого приводит к сближению индентора с поверхностью образца, что отслеживает дифференциальный датчик перемещения.
Недостаток его состоит в том, что он обеспечивает небольшую глубину внедрения индентора (≤15 мкм), что существенно ограничивает его возможности при измерении микротвердости различных материалов.
Известен также прибор для измерения твердости (патент РФ №2029283 Кл. G01N, 3/42), содержащий корпус, соосно размещенные внутри него нагружатель и полый шток, на конце которого закреплены два коаксиально расположенных между собой стакана с тензодатчиками на их боковой поверхности.
В качестве нагружателя используется электромагнит, полый якорь которого закреплен на корпусе через упругие пластины, а расположенный внутри якоря шток взаимодействует с ними через фланцы с закрепленными на них тензодатчиками. Внутри штока размещен волоконно-оптический световод, к торцу фронтальной линзы которого жестко закреплен индентор так, что его вершина находится в фокальной плоскости объектива световода для получения резкого изображения поверхности детали, а сам он соединен токосъемником с электронным блоком для обработки информации об электрических явлениях, происходящих при царапаний.
Испытательная нагрузка на шток прикладывается путем подачи на катушку электромагнита линейно развертывающегося во времени напряжения до достижения заданного усилия нагружения, что фиксируется тензодатчиком. Одновременно с этим оптопарой регистрируется глубина внедрения или площадь контакта. Прибор позволяет не только измерять микротвердость, но и проводить исследования при царапаний.
Недостаток известного прибора состоит в его сравнительно высоком энергопотреблении, связанным с питанием катушки электромагнита. Кроме того, в процессе эксплуатации происходит нагрев катушки и расположенного внутри нее штока, температурные деформации которого сказываются на точности определения твердости.
Решением, наиболее близким к предложенному по своему функциональному назначению и конструктивному исполнению, является известный прибор для исследования микромеханических характеристик твердых тел индентированием (Свидетельство на полезную модель №6065 от 04.03.97 кл. G01N, 3/48) с непрерывной регистрацией кинетики процесса внедрения индентора в координатах «нагрузка - глубина внедрения».
Прибор содержит основание с вертикальной стойкой с направляющими и закрепленный на нем предметный столик для установки исследуемого образца. В направляющих стойки установлена каретка с возможностью ее относительного перемещения вдоль стойки от ручного привода. На каретке размещен привод перемещения нагружателя и рычажный арретир, закрепленный на оси с возможностью его углового поворота.
Кроме того, с помощью пружинного параллелограмма с кареткой связан стакан, снаружи боковой стенки которого жестко закреплен упор, с которым в процессе работы взаимодействует вышеупомянутый арретир, обеспечивая опускание стакана при его повороте и, тем самым, прижим исследуемого образца к плоскости предметного столика.
Внутри стакана с помощью шариковых направляющих подвижно установлен обращенный днищем вверх полый корпус, а внутри этого корпуса и соосно с ним на плоскопараллельных пружинах установлен шток с жестко закрепленным на его конце индентором.
Осевое перемещение нагружателя обеспечивается держателем, выполненным в виде подводимого изнутри к днищу корпуса упора, для чего в боковой стенке корпуса выполнено сквозное окно. Этот держатель с помощью ременной и реечной передачи связан с вышеупомянутым приводом его перемещения.
Таким образом, нагружение индентора обеспечивается массой полого корпуса, передающей нагрузку на шток через плоскопараллельные пружины. При необходимости создать нагрузку больше этой массы сверху корпуса может быть установлен дополнительный груз.
Регистрация усилия внедрения обеспечивается с помощью встроенного внутри корпуса механотронного преобразователя, а регистрация глубины внедрения - с помощью магнитоуправляемого электронного преобразователя, постоянный магнит которого жестко закреплен на оправке рядом с алмазным индентором, а сам преобразователь - на внутренней поверхности стакана рядом с этим магнитом.
Обеспечивая непрерывную запись диаграммы внедрения индентора в координатах "нагрузка - глубина внедрения", достаточно четкую фиксацию нуля на этой диаграмме и возможность исследования микроползучести во времени, этот прибор имеет тот недостаток, что неопределенная часть нагрузки теряется в шариковых направляющих, а кроме того, вследствие возможной неравномерности процесса трения и вращения шариков не исключена инерционность нагружения, т.е. динамическая составляющая нагрузки на индентор.
Вместе с тем установлено (Dengel D. Einsatz der Mikroharteprufung zur Charakterisierung von Randschichten // HTM: Harter.-techn. Mitt-1998, v.53, N.5. C.312-321), что со снижением усилия испытания и, следовательно, при меньшем отпечатке, значения твердости материалов с гомогенной твердостью в общем растут и что закон подобия при этом нарушается. Это стало, во-первых, причиной деления существующих методов измерения твердости по Виккерсу, Кнуппу, Берковичу на диапазоны: макротвердости (F>50 H), малой твердости (2H≤F≤50 H), микротвердости (0,1 H≤F≤2 H) и даже ультрамикротвердости (F<0,1 H); а во-вторых, привело к практическому выводу о том, что сопоставление различных материалов по твердости может быть корректным лишь в том случае, если они определены при одинаковых нагрузках.
Известно также, что процессы трения и изнашивания материалов в наибольшей мере локализованы в поверхностных слоях. Для повышения долговечности узлов трения существуют различные методы поверхностной термообработки, упрочнения этих слоев нанесением на них тонких покрытий и т.д. В связи с этим методы измерения микротвердости и ультрамикротвердости тонких поверхностных слоев становятся все более востребованными в исследовательской практике, а конструкции приборов - все более совершенными как в отношении методов нагружения, так и в отношении точности измерения создаваемых усилий.
Таким образом, задача, которая была поставлена при усовершенствовании известного микротвердомера, состояла в обеспечении безинерционности нагружения и тем самым в повышении точности определения исследуемых на нем характеристик материалов.
Эта задача решается тем, что в приборе для исследования микромеханических характеристик твердых тел индентированием, содержащем 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 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 конус 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, нагружатель индентора выполнен в виде соосно установленных между собой с равномерным зазором сердечника из магнитострикционного материала с «гигантской» 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.
2
В качестве материала, обладающего аномально большой, т.е. «гигантской» магнитострикцией, целесообразно использовать сплав или систему сплавовредкоземельных металлов с железом, в частности, (Tb и/или Sm, Dy, Er и т.д.) Fe.
Для компенсации собственного веса штока и упрощения тарировки прибора шток целесообразно подпружинить, для чего достаточно, например, установить на него пружину сжатия, контактирующую своими торцами с выполненными для этой цели буртиком в верхней части штока и опорным буртиком в нижней части корпуса.
Предлагаемый прибор иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1 и 2.
На фиг.1 изображена его принципиальная схема.
На фиг.2 - вариант конструкции прибора с разгруженным штоком.
Прибор (фиг.1) содержит массивное основание 1 с вертикальной стойкой 2 и расположенный на основании 2-х координатный предметный столик 3 для установки исследуемого образца 4. В направляющих стойки 2 установлена каретка 5 с возможностью ее относительного перемещения от встроенного в нее ручного привода 6 с маховичком.
Полый корпус 7 прибора связан с кареткой с помощью плоскопараллельных пружин 8, образующих пружинный параллелограмм. Жесткость пружин при необходимости может регулироваться установкой дополнительных пластин 9.
На каретке 5 смонтированы также привод 10 перемещения нагружателя индентора и рычажный арретир 11, закрепленный на оси с возможностью углового поворота. Кроме того, на ней жестко закреплены две консольные пластины 12, их свободные концы введены внутрь корпуса 7, в боковой стенке которого для этой цели выполнено по крайней мере одно сквозное окно. На наружной поверхности корпуса жестко закреплен упор 13, с которым взаимодействует арретир 11. Благодаря этому в исходном положении прибора, когда вес корпуса 7 воспринимается зафиксированным в определенном положении арретиром, плоскопараллельные пружины 8 оказываются разгруженными.
На концах пластин 12 параллельно оси корпуса установлен винт 14 с сопряженным с ним держателем 15. С помощью, в частности, ременной передачи 16 винт кинематически связан с приводом 10 его вращения.
Внутри полого корпуса 7 и соосно с ним на плоскопараллельных пружинах 17 установлен шток 18 с жестко закрепленным на его конце индентором 19, в роли которого могут быть применены традиционные алмазные пирамиды, в частности, Берковича, Виккерса или Кнуппа.
В качестве нагружателя индентора использованы сопряженные между собой с небольшим (≤1 мм) зазором сердечник 21 и охватывающий его постоянный магнит 20, которые установленны соосно со штоком 18. При этом сам магнит жестко закреплен в держателе 15 и может перемещаться вдоль штока, а сердечник жестко встроен в шток и является его неотъемлемой частью.
2
Материал сердечника выбран из условия его деформации (удлинения) при наложении на него магнитного поля (т.н. свойство магнитострикции), что обеспечивает бесконтактное, а следовательно плавное перемещение и нагружение индентора. Учитывая, что глубина внедрения индентора при измерении микротвердости различных материалов может достигать порядка 25…100 мкм, этот материал должен обладать аномально большой, т.е. «гигантской» магнитострикцией, которая существенно выше, чем у традиционных материалов такого типа, например, как никель, пермендюр, альфер и т.д. В качестве такого материала целесообразно использовать сплав или систему сплавов редкоземельных металлов с железом, в частности, (Tb и/или Sm, Dy, Er и т.д.)Fe.
Регистрация усилия внедрения обеспечивается с помощью тензодатчиков 22, закрепленных на плоскопараллельных пружинах 17 и электрически соединенных между собой по известной дифференциальной схеме, а регистрация глубины внедрения индентора обеспечивается, в частности, с помощью известного магнитоуправляемого электронного преобразователя, постоянный магнит 23 которого жестко закреплен на штоке 18, а преобразователь 24 - на внутренней стенке корпуса в зоне действия поля этого магнита.
Блоки питания, а также средства усиления, преобразования и записи сигналов от соответствующих датчиков на чертеже не показаны.
Чтобы упростить тарировку прибора путем исключения массы штока из развиваемого нагружателем усилия, прибор может быть снабжен (см. фиг.2) охватывающей шток пружиной сжатия 25, которая расположена между удерживающими шток плоскопараллельными пружинами и упирается в буртики 26 и 27, выполненные для этой цели соответственно в верхней части штока и внутри нижней части корпуса.
Работа на приборе осуществляется следующим образом.
Образец 4 устанавливают на предметный столик 3. Вращением маховичка 6 подводят корпус 7 к поверхности образца на расстояние примерно 2 мм. Затем выводят арретир 11 из его фиксированного положения и, плавно поворачивая его, опускают корпус 7 на плоскость образца, прижимая его к предметному столику и выбирая тем самым возможные люфты, перекосы и упругие деформации, которые могли бы сказаться на точности измерения.
Включают самописцы средств регистрации усилия нагружения и глубины внедрения индентора, а затем привод 10 осевого перемещения магнита 20.
Медленно надвигая его на сердечник 21, плавно повышают напряженность магнитного поля и тем самым магнитострикцию материала сердечника, а после касания индентора с образцом - безинерционную нагрузку на индентор 19 до необходимой величины (в зависимости от механических свойств исследуемого материала). Скорость нагружения составляет при этом порядка 0,05-1,00 сН/с.
При необходимости может быть сделана выдержка под постоянной нагрузкой, например, при исследовании ползучести материалов.
Снятие нагрузки осуществляется реверсированием двигателя. При этом происходит упругое восстановление отпечатка, которое обусловливает обратное перемещение индентора.
Весь процесс нагружения - выдержки - разгрузки записывается на диаграмме нагружения в координатах «нагрузка - глубина внедрения», обработкой которой получают комплекс физико-механических свойств исследуемого материала, таких, например, как пределы текучести и прочности, микротвердости и модуля упругости, ползучести и показателей упрочнения и т.д.
Предложенное решение существенно упрощает конструкцию прибора в сравнении с прототипом, в частности отпадает необходимость в стакане с шариковыми направляющими, обусловливающими неконтролируемые потери на трение. Кроме того, исключаются температурные деформации штока, характерные при использовании в микротвердомерах электромагнитов, особенно при длительных испытаниях ползучести. И самое главное, исключена динамическая составляющая нагружения, поскольку на шток с сердечником не действуют никакие внешние силы, кроме плавно регулируемого магнитного поля.