Метод індентування поверхневих матеріалів

Рис.7. Експериментальна діаграма вдавлювання (1) та її квадратична апроксимація (2) при індентуванні LiF зі збільшеним зображенням ділянки початкового контакту.

Даний метод корекції експериментальної ДВ втілений в ПЗ приладу як додаткова функція обробки даних, де всі операції з його реалізації автоматизовані.

Відомо, що локальні процеси пошкоджуваності, які пов’язані з формуванням та еволюцією дислокаційної структури, розкришенням і руйнуванням, інтенсифікуються у поверхневому шарі. Це приводить до формування структурно-деформаційної неоднорідності властивостей поверхні, до неоднорідного розподілу твердості. Тестування стану поверхневого шару конструкційних матеріалів за критерієм структурно-деформаційної неоднорідності можливе методом дряпання з реєстрацією вздовж траси сканування зміни сили опору руху індентора. Враховуючи, що опір дряпанню буде визначатися не тільки неоднорідністю твердості, а також і рельєфом поверхні, у роботі розроблений метод та реалізована у програмному забезпеченні приладу відповідна методика, що дозволяє визначати характеристики неоднорідності структурно-деформаційних властивостей матеріалу вздовж траси сканування з урахуванням впливу шорсткості поверхні. Даний підхід, який реалізований у розробленому приладі, відкриває широкі можливості тестового діагностування тонких поверхневих шарів конструкційних матеріалів методом дряпання.

На основі запропонованої моделі силового впливу на чотирьохгранний  індентор, на який діє нормальна відносно поверхні сила , отримана залежність сили , що лежить у площині грані індентора і визначає процес пластичного витиснення матеріалу при дряпанні, від сили опору руху індентора , яка є паралельною площині поверхні:

. (5)

Співвідношення середнього значення глибини вдавлювання індентора  і показників шорсткості поверхні задається безрозмірною функцією , яка характеризує рельєф, визначається з профілографи траси сканування вздовж координати і нормується за умов: ; ; , де та – відповідно максимальна висота виступу та мінімальна глибина западини по відношенню до середньої лінії профілю вздовж траси сканування. Для дряпання необхідно, щоб .

Твердість поверхні матеріалу при дряпанні вздовж траси сканування описується функцією , де – середнє значення твердості, що дорівнює відношенню сили до площини проекції контактної поверхні індентора при дряпанні, а – безрозмірна функція, яка описує випадковий характер зміни твердості без впливу рельєфу поверхні. На базі залежності (5) визначено

. (6)

Методика визначення функції передбачає наступне. Перед дряпанням індентор опускається на поверхню зразка і без навантажування ( ) здійснюється його сканування по заданій трасі. При цьому реєструється його вертикальне переміщення, записується профілограма поверхні (рис.8а) та визначається функція . Потім із по-

Рис. 8. Залежність профілю поверхні сплаву Д16АТ (а), тангенціальної сили (б) та функції (в) вздовж траси сканування індентором. Сила вдавлювання Н.

чаткової точки траси провадиться дряпання індентором з заданою вертикальною силою . Реєструється тангенціальна сила опору (рис.8б). ПЗ приладу на основі отриманої інформації ту у відповідності з формулою (6) реалізує розрахунок функції (рис.8в). У подальшому отримана інформація може оброблятися відповідними методами для визначення статистичних характеристик структурно-деформаційної неоднорідності, а також для верифікації діагностичних ознак стану поверхневого шару.

У розділі також приведені  результати індентування різних за механічними властивостями матеріалів. Отримані з застосуванням розробленого приладу значення мікротвердості та модуля Юнга відповідають даним, що наведені у літературних джерелах. Показані можливості приладу для дослідження холодної повзучості, отримання двомірного розподілу міцності по поверхні, зображення мікровідбитків та подряпин.

У додатках наведені допоміжні ілюстрації індентометрів, що виробляються провідними виробниками світу, а також акти про впровадження та використання результатів досліджень.

ВИСНОВКИ

Головний науковий результат роботи – вирішення науково – технічної задачі, що пов’язана з науковим обґрунтуванням та розробкою автоматизованого багатофункціонального приладу для визначення та контролю мікромеханічних характеристик поверхневого шару матеріалів методами безперервного вдавлювання та сканування індентором.

1. Сучасні апаратурні засоби контролю фізико-механічних властивостей матеріалів у мікро/нано масштабах методами кінетичного та скануючого індентування (нанотестери) відносяться до нового покоління приладів, що мають високу роздільну здатність реєстрації глибини вдавлювання індентора, однак при порівняльно вузькому діапазоні навантажування. У приладах даного класу використовуються сучасні MEMS технології, вони виробляються в декількох країнах (США, Великобританія, ФРН, Австралія), вартість таких приладів доволі висока, що обмежує їх масове використання для дослідницьких та виробничих потреб.
2. Розроблена, виготовлена та апробована оригінальна, проста в експлуатації та компактна конструкція приладу з широкими функціональними можливостями для визначення та контролю фізико-механічних властивостей матеріалів у мікро/нано масштабах методами кінетичного індентування та сканування поверхні індентором.
3. Для забезпечення переміщень індентора розроблений та конструктивно реалізований пристрій (електромагнітний навантажувач) для перетворення сили електричного струму у механічне зусилля. Відмінними особливостями розробленого навантажувача є: широкий діапазон зусиль, що задаються (до 30 Н); реалізація безконтактного навантажування; мала маса якоря; електромагнітне демпфірування шкідливих коливань; лінійна характеристика навантажування.
4. Для вимірювання малих переміщень індентора розроблений та конструктивно реалізований індуктивний датчик, що має покращенні порівняльно з існуючими типами показники: лінійну характеристику, значне вихідне напруження, малу чутливість до перешкод та малий температурний дрейф. Суттєве підвищення чутливості вимірювань датчиком, що розроблений, забезпечено співвісним розташуванням плоских циліндричних котушок с малим зазором (0,5 мм), що приводить до достатньої по величині зміні індуктивності при малих переміщеннях якоря.
5. Спроектований та випробуваний оригінальний компенсатор шкідливих пружних зміщень конструктивних елементів приладу, що дозволило суттєво спростити та полегшити конструкцію приладу, збільшити продуктивність операцій випробування. Застосування диференціального компенсатора дозволяє точно ідентифікувати початок дотику індентором поверхні зразка та адекватно робити відлік глибини вдавлювання відносно його поверхні.
6. Розроблено та апробовано спеціальне алгоритмічне та програмне забезпечення, яке призначене для керування режимами роботи електронних вузлів, настроювання та тарирування каналу вимірювань, обробки, збереження та представлення даних вимірювання. Рівень автоматизації керування приладом, а також процесів реєстрації, обробки та збереження даних відповідає вимогам до багатофункціональних приладів подібного класу.
7. Розроблено метод та реалізована у програмне забезпечення приладу відповідна методика корекції діаграми вдавлювання з урахуванням особливостей початкового контакту, яка полягає у використанні замість експериментальної діаграми вдавлювання квадратичної функції з корекцією експериментальних значень глибини вдавлювання. Використання даної методики забезпечує сталі значення нано- і мікротвердості у діапазоні глибини вдавлювання, що реєструється, і, відповідно, виключення явища масштабного ефекту твердості.
8. На базі запропонованої моделі силового впливу на індентор розроблений метод та реалізована у програмному забезпеченні приладу відповідна методика, яка дозволяє визначати характеристики неоднорідності структурно-деформаційних властивостей матеріалу вздовж траси сканування, виключаючи вплив рельєфу поверхні. Даний підхід, який реалізований у розробленому приладі, відкриває широкі можливості тестового діагностування тонких поверхневих шарів конструкційних матеріалів методом дряпання.
9. Різні модифікації розробленого приладу впроваджені та використовуються для проведення наукових досліджень, інженерно-технічних задач та в навчальному процесі у провідних наукових організаціях, університетах та підприємствах України: Інституті електрозварювання ім. Є. Патона НАН України (м. Київ), Інституті проблем матеріалознавства ім. І. Францевича НАН України (м. Київ), на ДП завод 410 ЦА (м. Київ), Національному технічному університеті України «КПІ» (м. Київ), Національному авіаційному університеті (м. Київ) (акти впровадження додаються).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. Запорожец В.В., Бердинских В.А., Закиев И.М. Динамические эффекты контактного взаимодействия в присутствии ПАВ // Трение и износ – 1988. – 9, № 1. – С. 19-25.

Здобувачем розроблена модель тертя у середовищі ПАВ та апробована  методика дослідження впливу ПАВ на динамічні ефекти контактної взаємодії.

2. Запорожец В.В., Никитин Ю.А., Закиев И.М. Идентификация повреждаемости поверхностного слоя материала с использованием методов микромеханики / Авіаційно-космічна техніка і технологія: Вип. 34. - Харків: ХАІ, 2002 – С. 103-106.

Здобувачем  проведено моніторинг методів мікромеханіки  для індентування пошкоджуваності поверхневого шару.

3. Гаврилюк П.В., Варюхно В.В., Закиев І.М. Прилад для дослідження фізико-механічних властивостей матеріалів // Металознавство та обробка металів. – 2004. – №4. – С.44-47.

Здобувачем  розроблений та виготовлений прилад для дослідження фізико-механічних властивостей матеріалів.

4. Игнатович С.Р., Закиев И.М., Борисов Д.И., Закиев В.И. Методика исследования физико-механических свойств поверхностных слоев материалов при усталости с использованием многофункционального прибора «Микрон-гамма» / Авиационно-космическая техника и технология – Вып. 8 (16) - Харьков: ХАИ, 2004 – С. 163-166.

Здобувачем  розроблена методика кінетичного індентування та методика склерометричних випробувань.

5. Игнатович С.Р., Закиев И.М., Борисов Д.И. Диагностика усталостной поврежденности деталей методами вдавливания и царапанья поверхности индентором / Двигатели внутреннего сгорания – № 2 (7)- Харьков: НТУ «ХПИ», 2005 – С. 118-122.

Здобувачем  розроблена методика та програма проведення експериментальних досліджень, отримані експериментальні дні стосовно зміни мікротвердості та склерометричних характеристик сплаву Д-16 у процесі циклічного навантажування.

6. Игнатович С.Р., Борисов Д.И., Закиев И.М., Юцкевич <span class="dash041e_0431_044b_0447_043d_044b