Метод індентування поверхневих матеріалів

Міністерство  освіти і науки України

Національний  університет «Львівська політехніка»

Кафедра прикладного  матеріалознавства та обробки матеріалів

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат на тему

«Метод індентування поверхневих матеріалів»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Виконав:

Ст.гр. ПФ-41

Михалецький Павло

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЛЬВІВ  2014

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

 

Актуальність  теми. Для визначення та контролю фізико-механічних властивостей локальних ділянок поверхні матеріалів найбільш придатними є метод мікро/нано індентування (depth sensing indention) – вдавлювання індентора з реєстрацією глибини його проникнення та метод склерометрії (scratch testing) – дряпання індентором поверхневого шару з реєстрацією сили опору. Задачі методичної та апаратурної реалізації даних методів відносяться до одного з пріоритетних науково-технічних напрямків, що інтенсивно розвиваються у світі.

Сучасний етап розвитку методів локального та скануючого індентування характеризується розробкою і використанням  нового покоління приладів з високою роздільною здатністю реєстрації глибини вдавлювання індентора, у тому числі і в нанометровому масштабі. Це суттєво розширило діапазон визначення деформаційних та міцностних характеристик матеріалів, дало поштовх для розробки та впровадження нових методів діагностування стану поверхні деталей. Методи індентування та склерометрії застосовуються для визначення мікромеханічних властивостей приповерхневих шарів матеріалів, для тестування пошкоджуваності виробів в експлуатації по критеріям деградації міцності поверхні. Вони отримали широке розповсюдження у різних галузях промисловості.

Прилади для індентування, що виробляються за кордоном, обладнанні складними системами захисту від зовнішніх впливів, мають завищені габаритні та вагові показники, відносно вузький діапазон навантажування. В Україні, незважаючи на наукові і виробничі потреби, подібні прилади не виробляються.

У зв’язку з цим  визначається актуальність теми дисертаційної  роботи, яка присвячена розробці конструкції універсального та малогабаритного приладу, що реалізує безперервне вдавлювання та сканування індентора у широкому діапазоні навантажувань і переміщень (включаючи нанометровий), працює у реальному масштабі часу, обладнаний автоматизованою системою керування та обробки інформації.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є наукове обґрунтування та розробка автоматизованого приладу для визначення мікромеханічних властивостей поверхневого шару матеріалів методами кінетичного вдавлювання та сканування індентором.

Для досягнення поставленої  мети в роботі знайшли вирішення наступні задачі:

1. Розробка моделі силового впливу на індентор та методики оцінки структурно-деформаційної неоднорідності поверхневого шару при дряпанні.
2. Розробка методу корекції діаграми вдавлювання з урахуванням особливостей початкового контакту.
3. Обґрунтування принципу роботи, розробка конструкції, виготовлення та здійснення експериментальних досліджень працездатності електродинамічного навантажувального пристою індентора з високою чутливістю каналу навантажування.
4. Обґрунтування принципу роботи, розробка конструкції, та здійснення експериментальних досліджень працездатності індуктивного вимірювача переміщень індентора з високою чутливістю каналу вимірювань.
5. Обґрунтування принципу роботи, розробка конструкції, та здійснення експериментальних досліджень працездатності системи диференційної компенсації пружних зміщень конструкції приладу та шкідливих сейсмічних впливів.
6. Обґрунтування принципу роботи, розробка конструкції, та здійснення експериментальних досліджень працездатності електромеханічної системи для реалізації склерометричних випробувань.
7. Розробка алгоритмічного та програмного забезпечення для автоматизованої системи керування роботою приладу, реєстрації, обробки та представлення даних вимірювань.
8. Здійснення конструктивного відтворення багатофункціонального автоматизованого приладу для кінетичного та скануючого індентування у мікро- та нанометровому діапазонах.
9. Розробка методики тарирування та настроювання систем приладу, які реалізують навантажування та контроль переміщень індентора.

Об’єкт дослідження – визначення мікромеханічних характеристик поверхневого шару матеріалів та виробів.

Предмет дослідження – прилад для тестування поверхневого шару матеріалів методами безперервного вдавлювання та сканування індентором.

Методи дослідження. Робота ґрунтується на методичному забезпеченні методів кінетичного та скануючого індентування. Проведені в роботі теоретичні дослідження ґрунтуються на методах механіки, теорій пружності та пластичності, теорій ймовірності та математичної статистики, методах неруйнівного контролю та обробки сигналів. При розробці електромеханічних систем навантажування та контролю малих переміщень індентора використовувалися методи теоретичної електротехніки та електроніки. При розробці автоматизованої системи керування роботою приладу, проведення вимірювань та обробці даних використовувалися методи автоматичного керування, програмування, комп’ютерних технологій.

Наукова новизна  отриманих результатів.

В роботі вперше отримані такі нові наукові результати:

1. Вперше для приладів, що реалізують вимірювання мікромеханічних характеристик поверхневого шару методом кінетичного індентування, розроблена та випробувана електромеханічна система диференціальної компенсації малих пружних зміщень конструкції приладу та шкідливих сейсмічних впливів.
2. Розроблена математична модель силового впливу на індентор при дряпанні і на її основі розроблена та втілена у приладі оригінальна методика оцінювання структурно-деформаційної неоднорідності поверхневого шару при дряпанні з врахуванням рельєфу поверхні.
3. Розроблений та обґрунтований новий метод компенсації масштабного ефекту мікротвердості з врахуванням особливості початкового контакту, що передбачає використання замість експериментальної діаграми вдавлювання квадратичної функції з зміщеним початком координат і, відповідно, корекцію експериментальних значень глибини вдавлювання.
4. Розроблено та апробовано оригінальне математичне, алгоритмічне та програмне забезпечення, яке призначене для керування роботою приладу, його тарирування та настроювань, обробки та представлення даних вимірювань, діагностики працездатності приладу в експлуатації.

Практичне значення одержаних результатів.

Проведені дослідження дозволили розробити унікальний за своєю конструкцією та технічними можливостями прилад, який дозволяє проводити тестування поверхні матеріалів та виробів методами кінетичного та скануючого індентування. Це дає змогу визначати фізико-механічні властивості надлокалізованих (мікро/нано масштабних) ділянок поверхні матеріалів, що неможливо зробити іншими методами вимірювання.

Індентування дряпанням дозволяє визначати статистичні зв’язки між опором локальних мікрооб’ємів матеріалу контактному деформуванню, проводити оцінку стану поверхневого шару за глибиною, визначати неоднорідність міцності поверхневого шару, моделювати елементарні акти процесів тертя та зношування, оцінювати адгезію покриттів, отримувати профілограму поверхні.

Оптично-електронна система  розробленого приладу здійснює цифрову  обробку зображення та дозволяє проводити влучний укол, здійснювати кількісний аналіз зображення відбитків та структури матеріалу, будувати тривимірну модель профілю поверхні.

Результати дисертаційної  роботи впроваджені у деяких провідних  науково-дослідних інститутах НАН України, технічних університетах та авіаційних підприємствах України.

Прилад для проведення контролю фізико-механічних властивостей матеріалів методом індентування впроваджений у відділі фізико-металургійних процесів зварювання легких металів та сплавів Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України та у відділі фізики та технології жароміцних матеріалів Інституту проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України і використовується при виконанні науково-дослідних робіт відомчого замовлення.

Методика контролю технічного стану за критеріями склерометричних  випробувань, а також результати вимірювання дряпанням неоднорідності структурно-деформаційних характеристик поверхонь тертя деталей шасі літаків та авіаційних двигунів впроваджені в практику контролю технічного стану авіаційної техніки на ДП Завод 410 ЦА.

Прилад для  проведення контролю механічних властивостей матеріалів методом мікроіндентування впроваджений на інженерно-фізичному факультеті НТУУ „КПІ” і використовувався на кафедрі металознавства і термічної обробки при виконанні науково-дослідних робіт різного рівня, а також в учбовому процесі при виконанні курсових і дипломних робіт.

Результати дисертаційної  роботи впроваджені у науковий процес кафедри конструкції літальних апаратів Аерокосмічного інституту Національного авіаційного університету при виконанні держбюджетної теми „Розробка методів діагностики пошкоджуваності та оцінки залишкового ресурсу елементів авіаційних конструкцій з використанням нанотехнологій”, а також у навчальний процес кафедри конструкції літальних апаратів.

Структура та обсяг роботи.Робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

 

У вступі обґрунтовано актуальність теми реферату, сформульовано мету і задачі дослідження, наведено дані щодо наукової новизни, практичної цінності та впровадження отриманих результатів.

Перший розділ містить аналіз сучасного стану методів та засобів індентування, на основі якого визначено задачі даного дослідження. Індентування вже тривалий час використовується для оцінки твердості, міцності та контролю якості матеріалів та виробів. Методологія кінетичного мікро/нано індентування (Depth Sensing Indention) отримала розвиток у роботах закордонних та вітчизняних дослідників. Насамперед, це роботи В. Альохіна, С. Буличова, Ю. Головіна, С. Фірстова, Ю. Мільмана, W. Oliver, G. Pharr, Y. Gogotsi, T. Zhang та інш. Сучасний період характеризується бурхливим розвитком мікро/нано індентування, що обумовлено появою та використанням нового покоління приладів – нанотестерів (наноіндентометрів). Реєстрація малих значень глибини вдавлювання індентора, можливість проведення тестування на деталях малої товщини та в дуже тонких шарах матеріалу, швидкість та простота випробувань, а також визначення без руйнування механічних властивостей роблять тестування мікро/нано індентуванням ефективним методом контролю матеріалів та виробів. Так, з’явилися можливості здійснення верифікації теорій мікро- та наноконтактної взаємодії твердих тіл; вимірювання енергії, що поглинається при проникаючому контакті; встановлення пружно-пластичних характеристик матеріалів, що не піддаються пластичному деформуванню у макровипробуваннях (кераміка, мінеральне та металічне скло, карбіди, нітриди, бориди металів); визначення характеристик рухливості ізольованих дислокацій та їх скупчень в кристалічних матеріалах; оцінювання пористості матеріалів; дослідження фазових переходів при високому гідростатичному тиску під індентором, дослідження структури багатофазних матеріалів; оцінювання величини та розподілу внутрішніх напружень та інш.

Проведений огляд та аналіз технічних можливостей сучасних засобів індентування, що виробляються провідними фірмами світу (Micro Photonics, Hysitron TriboIndenter, Fischer, UMIS, MTS, Micro Materials, CSM Instruments) показав, що ці прилади універсальні, мають високу роздільну здатність, достатній рівень автоматизації операцій індентування. Однак вони обладнанні складними системами захисту від зовнішніх впливів, що обумовлює їх значні габаритні та вагові показники. До того, діапазон навантажування, що реалізується на таких приладах, доволі обмежений (0…10 Н), вартість значна, що обмежує їх масове використання як для наукових, так і для виробничих потреб. Відмічено, що в Україні подібні прилади не виробляються.

Суттєве розширення можливостей  сучасних апаратурних засобів індентування стало можливим за рахунок використання високо чутливих інтегрованих мікроелектромеханічних систем (MEMS). Вимірювачі над малих переміщень є найважливішими елементами конструкції нанотестерів. Від технічних характеристик навантажувачів і датчиків переміщень суттєво залежать можливості реалізації методів наноіндентування та достовірність результатів, що отримуються при тестуванні. Тому у роботі був проведений огляд та аналіз існуючих датчиків переміщень та силозадаючих пристроїв (навантажувачів). Відмічено, що основними недоліками навантажувачів електростатичного типу є мале значення зусилля (кілька грамів), п’єзоелектричного типу – передача зусилля контактним способом, електромагнітного – значна маса якоря, що зв’язаний з індентором. Але ця вада може бути усунута за рахунок удосконалення конструкції, тому електромагнітний навантажувач є найбільш придатний для перетворення сили току в механічне зусилля. Встановлено, що у закордонних наноіндентометрах для вимірювання малих переміщень використовуються ємнісні, лазерні, п’єзоелектричні та індуктивні датчики. Найбільш придатними є індуктивні датчики. Датчики цього типу мають значне вихідне напруження, малу чутливість до завад та малий температурний дрейф. У розділі також розглянуті та проаналізовані основні принципи та схеми реалізації навантажування у сучасних наноіндентометрах.

Таким чином, виконаний  в роботі аналіз стану проблеми дозволив сформулювати наведені вище задачі дисертації та обрати відповідні їм методи досліджень.

Другий розділ присвячено розробці основних вузлів приладу – електромагнітного навантажувача та індуктивного вимірювача малих переміщень, а також опису конструкції приладу в цілому.

Одним з конструктивних рішень, що забезпечило значне зниження маси якоря у розробленому навантажувачі електромагнітного типу (рис.1), є застосування сучасного магніту на основі сплаву Nd-Fe-B. Окрім цього котушка намотана в два шари мід-