Метод індентування поверхневих матеріалів

	ним проводом на каркасі  з тонкої замкнутої алюмінієвої фольги, що істотно полегшує конструкцію штока, а замкнуте кільце з фольги додатково гасить коливання штока з індентором за рахунок виникаючих у ньому протидіючих магнітних полів. Зміни навантаження, що можуть виникати із-за зміни опору котушки внаслідок протікання великого струму при максимальних значеннях навантаження, компенсується керованим стабілізатором струму. При незначних переміщеннях штока (до 1мм), який зв’язаний з індентором, конструктивно забезпечується пересікання магнітним полем постійної кількості провідників у котушці і, відповідно, постійне значення заданого навантажування. Зусилля, що розвивається наван-
Рис.1. Конструкція електромагнітного навантажувача: 1 – стакан; 2 – постійний магніт; 3 – котушка; 4 – схема дії електромагнітного поля; 5 – шток; 6 – кільце.

тажувачем, прямо пропорційне струму, який протікає по котушці, і при малих переміщеннях котушки (штока з індентором) залишається постійним.

Розроблена конструкція має такі переваги: широкий діапазон навантажування (до 30 Н); безконтактне навантажування магнітним полем; мала маса якоря, що зменшує його інерційність; електромагнітне демпфірування шкідливих коливань; лінійна характеристика навантажування.

Розроблений індуктивний вимірювач малих переміщень виконаний за диференціальною схемою, що забезпечує лінійність характеристики індуктивність – переміщення індентора в достатньо широкому діапазоні.

Конструктивно датчик малих переміщень складається з плоских пружин 1, закріплених одним кінцем на корпусі, а іншим – на штоку з індентором 3, та двох котушок індуктивності 4 (рис.2).

При вертикальних переміщеннях якоря 2, закріпленого на штоку 3, між диференційно включеними котушками 4 відбувається неузгодженість вимірювального мосту, пропорційна переміщенню. Якір виконаний як диск з пермалоя товщиною 0,3 мм, а котушки виготовлені з броньового сердечника марки 2000НМ діаметром 22 мм. Зазор між котушками складає 0,5 мм. Спеціальна конструкція плоских пластин, виго-

товлених з пружинної сталі товщиною 0,1 мм, дозволяє строго вертикально переміщатися штокові з индентором і якорем. Основною відмінною рисою розробленої конструкції є співвісне розташування плоских циліндричних котушок з малим зазором (0,5 мм). Цим забезпечується достатня зміна індуктивності при малих переміщеннях якоря і, відповідно, істотно підвищується чутливість вимірів. Для тарирування електромагнітного навантажувача та індуктивного датчика малих переміщень розроблені відповідні методики та спеціальне устаткування. Проблемою абсолютної більшості  існуючих наноіндентометрів є вплив на результати вимірювання шкідливих переміщень – пружних деформацій конструкції приладу та коливання від зовнішніх впливів. Для усунення цих

Рис.2. Конструктивна схема  індуктивного датчика малих переміщень: 1 – пружини; 2 – якір; 3 – шток з індентором; 4 – котушки.

 

недоліків використовуються спеціальні демпфіруючі пристрої, що суттєво збільшує масу приладів, а також використовуються поправочні коефіцієнти, що приводить до похибок вимірювань.

У розробленому приладі  запропонована, спроектована та апробована оригінальна конструкція диференційного компенсатора, принцип роботи якого передбачає вимірювання глибини вдавлювання індентора відносно поверхні зразку, а не станини приладу. Конструктивно компенсатор складається із щупа 17, який зв’язаний з корпусом датчика і контактує з поверхнею зразка (рис.3). Таке конструктивне рішення суттєво звужує зону деформацій і, відповідно, виключає вплив прогинів та коливань установки.

 

Рис. 3. Блок-схема приладу.

1 – рухливий двокоординатний столик; 2 – зразок; 3 – котушки індуктивності; 4 – котушка електромагнітного навантажувача; 5 – електромагнітний навантажувач; 6 – датчик малих переміщень; 7 – шток з індентором; 8 – відеокамера; 9 – мікроскоп; 10 – перетворювач переміщень; 11 – АЦП; 12 – двоканальний драйвер; 13 – стабілізатор стуму; 14 – ЦАП; 15 – мікропроцесор; 16 – ЕОМ; 17 – щуп.

Дуже важливим моментом при визначенні глибини вдавлювання  є ідентифікація початку дотику індентором поверхні зразку. Від точності визначення початку відрахування глибини вдавлювання залежать результати вимірювань. При безпосередньому зближенні індентора з поверхнею шкідливі деформації та коливання усієї конструкції приладу призводять до мікроударів і мікрозаглибленням індентора. Застосування диференційного компенсатора суттєво підвищує точність визначення початку дотику індентора з поверхнею. При зближенні індентора з поверхнею початково дотикається щуп, який знаходиться нижче індентора на 1...2 мкм. Це приводить до суттєвого зменшення зони деформації. Індентор плавно опускається на поверхню, переборюючи жорсткість еластичних пружин, на яких він закріплений. При цьому момент дотику визначається автоматизовано по зміні (зменшенню) прискорення руху індентора на границі „повітря-матеріал”.

На основі конструктивних рішень, що були застосовані при розробці електромагнітного навантажувача, індуктивного датчика переміщень та диференційного компенсатора, розроблена та виготовлена проста у експлуатації та компактна конструкція приладу з широкими функціональними можливостями для визначення мікромеханічних властивостей матеріалів методом індентування поверхні (рис.3).

У якості АЦП використовується 24-х розрядна мікросхема з сигма-дельта методом перетворювання AD7714 фірми Analog Devices. AD7714 – це закінчена система аналого-цифрового перетворювання для низькочастотних вимірювань, що приймає сигнали з низьким рівнем безпосередньо від датчика та видає цифрове слово у послідовному форматі. У якості ЦАП використовується 16-ти розрядна мікросхема DAC8531. Підсилювачем струму є мікросхема TDA1514A (50 вт), яка включена по схемі управляючого стабілізатора струму 13 і має можливість корекції перекручувань, захист від перегріву та короткого замикання, малий температурний дрейф. У якості драйверу 12 мікродвигунів двокоординатного предметного столику 1 використовується мікросхема LB1648, яка дозволяє регулювати швидкість обертання, гальмувати та змінювати напрям обертання. У якості програмуючого мікропроцесору використовується мікросхема AT89S8252.

У третьому розділі наведені принципи та конструктивні рішення, що спрямовані на проведення приладом склерометричних випробувань поверхні, а також питання автоматизації та керування приладом.

Метод склерометрії – сканування поверхні індентором з реєстрацією сили опору дряпанню (scratch testing) незважаючи на давню історію застосування (М. Хрущов, В. Григорович, К. Савицкий, М. Тененбаум) не отримав належного розвитку із-за технічних проблем, пов’язаних з реєстрацією цієї сили на приладах того часу. Однак, в останнє десятиліття тестування дряпанням стало затребуваним при вивченні фізико-механічних властивостей різних матеріалів, адгезії тонких плівок та покриттів, моделюванні процесів тертя та зношування, а відповідна методологія почала широко втілюватися у апаратурних засобах.

В сучасних індентометрах, аналогічних за своїми функціональними можливостями приладу, що розроблений, для реєстрації тангенціальних пружних переміщень індентора і, відповідно, для визначення сили тертя при скануванні, використовують спеціальні пружні балки з датчиками, котрим встановлюється додаткова опція. У розробленому приладі також використаний такий підхід. Відмінністю є те, що у якості пружної балки виступає безпосередньо шток з індентором, а додатково встановлений індуктивний датчик реєструє його переміщення у тангенціальному напрямку. Таке рішення спрощує конструкцію системи реєстрації тангенціальних пружних переміщень індентора, які пропорційні силі тертя при дряпанні.

Конструктивно датчик тангенціального переміщення індентора виконаний, як і датчик вертикальних переміщень, згідно з диференціальною схемою і для мінімізації розмірів складається з двох плоских котушок (рис. 4). Нормальні відносно поверхні

переміщення індентора Y реєструються датчиком 1, а тангенціальні X – датчиком 2. При цьому конструктивно виконано так, що виключається взаємний вплив датчиків. Такий підхід дає можливість реєструвати кожну з складових переміщення індентора як окремо, так і одночасно. Котушки датчика 2 намотані на П-подібні сердечники типорозміру 4×8 мм марки 2000НМ і розташовані навколо штоку в площині максимального прогину. Для оцінки діючих на елементи конструкції датчиків напружень і прогинів були розраховані епюри сил та моментів. Результати розрахунків показали, що при дряпанні і дії на індентор сили у напрямку X, основні пружні переміщення виникають як результат вигину нижнього плеча штоку та за рахунок розтягання нижньої плоскої пружини. Таким чином нижнє плече штока працює як пружна балка, а нижня пружина – як пружина динамометра.

Рис.4. Конструктивна схема індуктивних датчиків нормального (1) та тангенціального (2) переміщень.

 

Для тарирування датчика тангенціальних переміщень індентора використовувалася проста блочна схема, згідно з якою через тонку нитку, закріплену до індентора у напрямку X, підвішувалися важки і замірювалося напруження на виході датчика (вимірювального мосту), яке пропорційне горизонтальному переміщенню індентора. Залежність „сила – показання датчика” є лінійною.

Для реєстрації сили тертя у координатах «сила тертя - довжина траси сканування» задається постійна сила вертикального навантажування на індентор, швидкість сканування та час витримки. При цьому автоматично вираховується час та довжина траси сканування. Такий режим зручний при дослідженні багатошарових чи композитних матеріалів. Крім цього у приладі передбачена реалізація наступних режимів дряпання з реєстрацією тангенціальної сили: багаторазове (повторне) сканування по одній і тій же трасі для дослідження наклепу матеріалу та при аналізі реологічних властивостей мастильних середовищ; сканування з заданим шагом зсувом трас для побудови тримірної моделі розподілу сил тертя на вибраній ділянці; сканування з попередньою реєстрацією профілю поверхні для врахування його впливу на результати вимірювання.

Програмне забезпечення (ПЗ) складається з двох окремих програм, одна з яких прошита у мікропроцесор електронного блоку для керування режимами роботи електронних вузлів (команди на перетворення, керування, підготовку, формування, усереднення та передачу даних) і написана на мові Асемблер. Друга написана на мові високого рівня Delphi і С++ для роботи у середовищі Windows 95/98/ХР, інсталюється на IBM сумісний комп’ютер і призначена для керування, настроювання, збору, обробки, зберігання та роздруківки даних. ПЗ складається з 6-ти блоків у відповідності з функціональними можливостями приладу: блок керуванням, збору та обробки даних при безперервному вдавлюванні індентора; блок для керування, збору та обробки даних при скануванні; блок для вимірювання параметрів шорсткості поверхні; блок для відеозахвату, редагування та обробки зображення; блок для тарирування приладу; блок для математичного та графічного редагування результатів та графіків.

Після запуску програми на екран виводиться діалогове вікно у вигляді інтерфейсу (рис.5).

Рис. 5. Зовнішній вигляд інтерфейсу ПЗ.

Інтерфейс складається з панелі інструментів 1 (у верхній частині екрану), графічного поля 2 (у центрі), індикатора положення індентора у вибраному діапазоні 3, індикатора стану навантажувача 4, 16-ти кнопок вибору графіків 5, рядка коментарів 6, рядка станів 7 та поля службової інформації 8.

Розробкою ПЗ передбачено наявність блоку настроювань та самонастроювань. Цей блок в автоматизованому та діалоговому режимі дозволяє проводити як початкове тарирування приладу, так і періодичну перевірку настроювань. Передбачено автоматизацію процесів настроювання навантажувача, датчика переміщень, тарирування швидкості переміщення двокоординатного столу та визначення люфтів.

Четвертий розділ присвячено розробці методичних аспектів визначення мікромеханічних характеристик поверхневого шару матеріалів методами безперервного вдавлювання та сканування індентором з використанням розробленого приладу.

Методичне забезпечення розробленого приладу передбачає визначення мікро/нано твердості та модуля пружності матеріалів у відповідності до міжнародних стандартів. Базовою характеристикою є діаграма вдавлювання (ДВ), яка реєструються приладом при випробуваннях (рис.6).

Рис.6. Діаграмна вдавлювання індентора та її характеристики: , – відповідно максимальні сила та глибина вдавлювання; – глибина відновленого відбитка; – контактна глибина; – зсув контактної поверхні при вдавлюванні; – пружне відновлення відбитка; – контактна жорсткість.

 

По параметрам ДВ, отриманої при індентуванні алмазними пірамідами Берковича чи Виккерса, визначається значення проекції контактної площини відбитку :

 (1)

де  – контактна глибина, яка розраховується за формулою

 (2)

де  , – відповідно максимальні сила та глибина вдавлювання; - коефіцієнт форми індентора (для пірамід Виккерса та Берковича = 0,75); – контактна жорсткість, яка визначається як похідна до кривої розвантажування ДВ в точці .

Мікро/нано твердість та модуль пружності визначаються за формулами

,  (3)

де  = 1,0124 для індентора Виккерса і = 1,034 для індентора Берковича.

Однією з особливостей індентування, що суттєво впливає на результати вимірювань, є розмірний ефект. Це явище, яке ще називають масштабним ефектом мікротвердості, проявляється у збільшенні значень твердості конкретного матеріалу при малих глибинах вдавлювання (особливо при мкм). Результатом є порушення інваріантності показника твердості як характеристики матеріалу.

У роботі запропонований метод компенсації масштабного ефекту мікротвердості з врахуванням особливості початкового контакту, що передбачає апроксимацію експериментальної ДВ квадратичною функцією зі зміщеним початком координат і, відповідно, корекцію експериментальних значень глибини вдавлювання.

Показано, що початковий контакт індентора з поверхнею різних матеріалів характеризується наявністю стрибка сили величиною 1…3 мкН. Це обумовлено неідеально гострим кінчиком індентора і поверхневими ефектами. Для імітації плавного вдавлювання індентора пропонується експериментальну ДВ, яка звичайно описується функцією , де – коефіцієнт, а показник , апроксимувати функцією , початок координат якої зміщений вліво відносно експериментальної ДВ на величину , а скоригована глибина вдавлювання визначається як , де – глибина вдавлювання для експериментальної ДВ (рис.7).