Устройство для измерения микротвердости и модуля Юнга

(51) МПК 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 Чекан Владимир Александрович(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 плоскопараллельными поверхностями, устройства, регистрирующего перемещение индентора относительно плоскости образца, расположенных по одной оси, прецизионного электромагнита, расположенного параллельно системе нагружение-измерение и обеспечивающего перемещение в вертикальной плоскости 74822011.08.30 индентора с алмазным наконечником, винта с завальцованным шариком, прижимающего образец параллельно плоскости предметного столика, механизма возвратно-поступательного движения, отличающееся тем, что на механизме возвратно-поступательного движения закреплена жесткая скоба, разделяющая систему нагружение-измерение на две системы систему нагружения и систему измерения.(С. 120-123). 2. Петржик М.И., Штанский Д.В., Левашов Е.А. Современные методы оценки механических и трибологических свойств функциональных поверхностей МатериалыМеждународной научно-технической конференции ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ РОССИИ. - Москва ОАО ЦНИТИ Техномаш, 9-11 сентября 2004. - С. 312. 3. Патент РБ 6238 // ОБ. - 3. - 2010. - С. 210. 4.,// . . . -7. 1992. - . 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. Известно устройство - нанотвердомер -2, состоящий из прецизионного электромагнита, обеспечивающего вертикальное перемещение стержня, являющегося сердечником электромагнита, представляющего собой алмазную пирамиду Берковича или Виккерса, предметного столика. Недостатком устройства является конструктивное расположение прецизионного электромагнита в одной вертикальной цепи с измерительной системой устройства, что при работе прецизионного электромагнита вызывает нагревание стержня-сердечника с индентором и 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. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство 3. Устройство состоит из плиты, на которой установлена стойка с закрепленными на ней верхним и нижним кронштейнами. На нижнем кронштейне закреплен предметный столик,на котором установлен испытуемый образец. Винт с завальцованным шариком прижимает образец параллельно плоскости предметного столика. На нижнем кронштейне установлен механизм возвратно-поступательного движения с индентором с алмазным наконечником. Форма алмазного наконечника индентора может быть как для измерения микротвердости 2 74822011.08.30 по методу Роквелла, так и по методу Берковича. К нижнему кронштейну устройства крепится прецизионный электромагнит, расположенный параллельно системе нагружениеизмерение. Прецизионный электромагнит через вилку приводит в движение направляющую. Направляющая давит на датчик усилия, показания которого снимаются на ПЭВМ. В верхнем кронштейне закреплен преобразователь перемещений, который определяет глубину проникновения индентора с алмазным наконечником в покрытие образца. Система нагружение-измерение включает предметный столик с установленным на нем образцом, преобразователь перемещений, датчик усилия, направляющую, расположенные на одной оси. Недостатком устройства является присутствие в системе нагружение-измерение датчика усилия, который при приложении нагрузки деформируется, причем при приложении большей нагрузки деформируется на большую величину, что вносит искажение в измерение величины микротвердости и модуля Юнга. 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 плоскопараллельными поверхностями, устройства, регистрирующего перемещение индентора относительно плоскости образца, расположенных по одной оси, прецизионного электромагнита, расположенного параллельно системе нагружение-измерение и обеспечивающего перемещение в вертикальной плоскости индентора с алмазным наконечником,винта с завальцованным шариком, прижимающего образец параллельно плоскости предметного столика, механизма возвратно-поступательного движения, на механизме возвратнопоступательного движения закреплена жесткая скоба, разделяющая систему нагружениеизмерение на две системы систему нагружения и систему измерения. Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежом на фиг. 1 и 2. Устройство состоит из плиты 1 (фиг. 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 закреплен 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 с алмазным наконечником 9. Форма алмазного наконечника индентора 9 может быть как для измерения микротвердости по методу Роквелла, так и по методу Берковича. На верхней части механизма возвратно-поступательного движения 8 закреплена жесткая скоба 18 (фиг. 2), верхняя часть которой расположена с зазором над направляющей 12. К нижнему кронштейну 4 устройства крепится прецизионный электромагнит 10, который через вилку 11 приводит в движение направляющую 12. Направляющая 12 давит на датчик усилия 13, показания с которого снимаются на ПЭВМ (на фиг. 1 и 2 не показана). Одновременно жесткая скоба 18 выводит из системы линейного измерения направляющую 12 и датчик усилия 13. В верхнем кронштейне 3 закреплен преобразователь перемещения 14,который определяет глубину проникновения индентора с алмазным наконечником 9 в покрытие образца 6. 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 нагрузку скорость нагружения время выдержки под нагрузкой скорость разгружения. Система нагружения работает следующим образом. Управляющая программа в соответствии с заданным алгоритмом увеличивает величину тока, протекающего через обмотку 3 74822011.08.30 прецизионного электромагнита 10. Усилие стержня-сердечника прецизионного электромагнита 10, пропорциональное величине протекающего тока, прикладывается через вилку 11 к направляющей 12, которая давит на датчик усилия 13, регистрирующий величину нагрузки, на механизм возвратно-поступательного движения 8 и индентор с алмазным наконечником 9. Одновременно вступает в работу система измерения. Под действием приложенного усилия (Роквелла или Берковича) индентор с алмазным наконечником 9 совершает поступательное движение вниз, внедряясь в материал покрытия исследуемого образца 6. Абсолютное положение индентора с алмазным наконечником 9 контролируется преобразователем перемещения 14 через жесткую скобу 18. По достижении заданного усилия нагружения происходит регистрация максимальной величины внедрения индентора с алмазным наконечником 9 в материал покрытия образца 6,и устройство переходит в режим выдержки индентора с алмазным наконечником 9 под нагрузкой, контролируемой датчиком усилия 13, на протяжении заданного времени, по истечении которого начинается этап разгружения индентора с алмазным наконечником 9. На данном этапе величина тока через обмотку прецизионного электромагнита 10 уменьшается, и индентор с алмазным наконечником 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 с алмазным наконечником 9. Данные непрерывного индентирования обрабатываются по методу Оливера-Фарра 4,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. Фиг. 2 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4