Устройство для измерения микротвердости и модуля Юнга

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МИКРОТВЕРДОСТИ И МОДУЛЯ ЮНГА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(72) Авторы Андреев Михаил Анатольевич Макаревич Евгений Петрович Суворов Анатолий Николаевич Мойсейчик Анатолий Николаевич Маркова Людмила Владимировна Кузнецова Татьяна Анатольевна(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(57) Устройство для измерения микротвердости и модуля Юнга, состоящее из предметного столика с закрепленным на нем образцом с плоско-параллельными поверхностями, устройства, регистрирующего перемещение индентора относительно плоскости образца, расположенных по одной оси, прецизионного электромагнита, обеспечивающего перемещение в вертикальной плоскости индентора с алмазным наконечником, отличающееся тем, что прецизионный электромагнит расположен параллельно системе нагружение - измерение, а винт с завальцованным шариком прижимает образец параллельно плоскости предметного столика. 62382010.06.30 2. Петржик М.И., Штанский Д.В., Левашов Е.А. Современные методы оценки механических и трибологических свойств функциональных поверхностей. Высокие технологии в промышленности России. МатериалыМеждународной научно-технической конференция. - М. ОАО ЦНИТИ Техномаш, 2004. - С. 312. 3.,// . . . -7. . 1564-1583. Полезная модель относится к устройствам для исследования физико-механических характеристик покрытий методом индентирования, в частности для оценки трещиностойкости, микротвердости, модуля Юнга и т.д. Известно устройство 1, позволяющее осуществлять микромеханические исследования при микронагрузках на объект, содержащее основание, установленный на нем объектный стол, узел нагружения (с постоянным усилием) на объект индентором (алмазной пирамидкой) посредством сменных грузов, оптическую систему визуального наблюдения результатов воздействия индентора на объект. Недостатками решения являются его ограниченные возможности (малое усилие нагружения, невозможность его изменения в процессе нагружения), относительно невысокая точность исследований (субъективность оценки при визуальном наблюдении нарушений),а также невозможность измерения модуля Юнга. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является нанотвердомер -2, состоящий из прецизионного электромагнита,обеспечивающего вертикальное перемещение стержню, являющемуся сердечником электромагнита, индентора, представляющего собой алмазную пирамиду Берковича или Виккерса, предметного столика. Недостатком устройства является конструктивное расположение прецизионного электромагнита в одной вертикальной цепи с измерительной системой устройства. При работе прецизионного электромагнита происходит нагревание стержня-сердечника с индентором,что приводит к его удлинению и, как следствие, к искажению показаний регистрирующего устройства. Вторым недостатком устройства является отсутствие приспособления, не позволяющего образцу прогибаться под воздействием индентора, что не дает возможности производить точные измерения на тонких образцах из-за их прогиба при воздействии индентора. Задача полезной модели - измерение микротвердости и модуля Юнга тонких пленок и модифицированных поверхностей с высокой точностью. Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве для измерения микротвердости и модуля Юнга, состоящем из предметного столика с закрепленным на нем образцом с плоско-параллельными поверхностями, устройства, регистрирующего перемещение индентора относительно плоскости образца, расположенных по одной оси,прецизионного электромагнита, обеспечивающего перемещение в вертикальной плоскости индентора с алмазным наконечником, прецизионный электромагнит расположен параллельно системе нагружение - измерение, а винт с завальцованным шариком прижимает образец параллельно плоскости предметного столика. Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежом на фигуре. Устройство состоит из плиты 1, на которой установлена стойка 2 с закрепленными на ней верхним 3 и нижним 4 кронштейнами. На нижнем кронштейне 4 закреплен предметный столик 5, на котором установлен испытуемый образец 6. Винт 7 с завальцованным шариком прижимает образец 6 параллельно плоскости предметного столика 5. На нижнем кронштейне 4 установлен механизм возвратно-поступательного движения 8 с индентором 9. Индентор 9 включает в себя наконечник для измерения микротвердости по методу Роквелла или Берковича. К нижнему кронштейну 4 устройства крепится прецизионный элек 2 62382010.06.30 тромагнит 10, расположенный параллельно системе нагружение - измерение. Прецизионный электромагнит 10 через вилку 11 приводит в движение направляющую 12. Направляющая 12 давит на датчик усилия 13, показания с которого снимаются на ПЭВМ (на фигуре не показана). В верхнем кронштейне 3 закреплен преобразователь перемещений 14, который определяет глубину проникновения индентора 9 в покрытие образца. Система нагружение - измерение включает предметный столик 5 с установленным на нем образцом 6, преобразователь перемещений 14, датчик усилия 13, направляющую 12,расположенные по одной оси. Расположение прецизионного электромагнита 10 вне системы нагружение - измерение исключает погрешность в измерениях, вызываемых удлинением стержня-сердечника прецизионного электромагнита 10 при его работе (нагревании). Кожух 15 закрывает верхнюю часть устройства от всевозможных воздействий. С помощью разъемов электрических 16 производится подача электрического питания на прецизионный электромагнит 10, а также регистрация сигналов от датчика усилия 13 и преобразователя перемещений 14. На нижнем основании опорной плиты 1 имеются четыре амортизатора 17 для устранения вибрации. Устройство работает следующим образом. Исследуемый образец 6 закрепляют на предметном столике 5, прижимая образец 6 параллельно плоскости предметного столика 5 при помощи винта 7 с завальцованным шариком, и вводят в управляющую прикладную программу ПЭВМ параметры эксперимента нагрузка скорость нагружения время выдержки под нагрузкой скорость разгружения. Управляющая программа в соответствии с заданным алгоритмом увеличивает величину тока, протекающего через обмотку прецизионного электромагнита 10. Усилие стержня-сердечника электромагнита, пропорциональное величине протекающего тока, прикладывается через вилку 11 к направляющей 12, которая через датчик усилия 13 воздействует на алмазный индентор(Роквелла или Берковича) 9. Под действием приложенного усилия индентор 9 совершает поступательное движение вниз, внедряясь в материал покрытия исследуемого образца 6. Абсолютное положение индентора 9 контролируется преобразователем перемещения 14. По достижении заданного усилия нагружения происходит регистрация максимальной величины внедрения индентора 9 в материал покрытия образца 6 и устройство переходит в режим выдержки индентора 9 под нагрузкой, контролируемой датчиком усилия 13, на протяжении заданного времени, по истечении которого начинается этап разгружения индентора 9. На данном этапе величина тока через обмотку прецизионного электромагнита 10 уменьшается и индентор 9 начинает движение вверх при постоянном контроле абсолютного положения преобразователем перемещения 14 и усилия датчиком усилия 13. При нулевом показании датчика усилия 13 этап разгружения считается завершенным. Показания преобразователя перемещения 14 в этот момент времени фиксируются. Управляющая программа вычисляет площадь проекции невосстановленного отпечатка индентора 9. Данные непрерывного индентирования обрабатываются по методу Оливера-Фарра 3,который состоит в подборе параметров степенной функции, описывающей экспериментальную зависимость глубины погружения от приложенной нагрузки, и расчете твердости и модуля Юнга по этим данным. Значения твердости рассчитывают как отношение максимальной нагрузки к площади проекции невосстановленого отпечатка, а модуль Юнга исходя из площади проекции отпечатка, контактной жесткости, определяемой как наклон верхней трети кривой разгружения, и задаваемого коэффициента Пуассона. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 3