RU2141106C1

RU2141106C1 - Sclerometer

Info

Publication number: RU2141106C1
Application number: RU98112303A
Authority: RU
Inventors: Г.М. Сорокин; Б.П. Сафонов; А.Я. Лысюк; С.И. Евреинов
Original assignee: Государственная академия нефти и газа им.И.М.Губкина; Новомосковский институт Российского химико-технологического университета им.Д.И.Менделеева
Priority date: 1998-06-30
Filing date: 1998-06-30
Publication date: 1999-11-10

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: sclerometer is used mainly for determination of material tribologic characteristics by method of scratching. Sclerometer body is positioned on base. Stage for specimen is arranged in upper part of body. The latter houses pendulum mounted on axle. Upper end of pendulum rod carries indenter. Provision is made for specimen position lock, as well as for starting and stopping assemblies. Sclerometer has assembly which moves specimen to indenter and specimen motion meter. Axial channel is made in stage for fastening the assembly and specimen. Meter is manufactured as spring-loaded plate mounted on lower face surface of stage for motion. Plate is coupled to motion indicator. Specimen position lock made in form of thrust plate is located in radial channel of stage lower part. Rod section under pendulum axle is made in form of flexible member on which resistance gauges are positioned. Sclerometer provides for enhanced accuracy of tribologic test modeling. EFFECT: truth of wear resistant determination. 6 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при определении трибологических характеристик материалов методом царапания. The invention relates to measuring technique and can be used to determine the tribological characteristics of materials by scratching.

Известна конструкция маятникового склерометра, включающая корпус, столик для крепления образцов, маятник с индентором, спусковое и стопорное устройства, втулку с закрепленным упругим элементом и тензометрическими датчиками [см., авторское свидетельство СССР N 1226148, G 01 N 3/46, 1982]. A known design of a pendulum sclerometer, including a housing, a table for attaching samples, a pendulum with an indenter, a trigger and locking device, a sleeve with a fixed elastic element and strain gauges [see, USSR copyright certificate N 1226148, G 01 N 3/46, 1982].

Недостаток известной конструкции заключается в том, что при склерометрических испытаниях, вследствие того, что нормальная составляющая силы скрайбирования на контакте индентор-образец не выдерживается постоянной, снижается точность моделирования трибологических испытаний (имеются в виду испытания на изнашивание при трении скольжении по абразиву). A disadvantage of the known design is that during sclerometric tests, due to the fact that the normal component of the scribing force at the indenter-sample contact is not kept constant, the accuracy of modeling tribological tests is reduced (we mean wear tests during sliding friction on an abrasive).

Наиболее близким по технической сущности является склерометр, содержащий основание, маятник с закрепленным индентором в верхней части, пусковое и стопорное устройства, предметный столик с прижимным болтом [Тененбаум М.М. Склерометры для изучения сопротивления царапанию и их применение. В кн.: Склерометрия. - М.: Наука, 1968, с. 124]. The closest in technical essence is a sclerometer containing a base, a pendulum with a fixed indenter in the upper part, a starting and locking device, an object table with a clamping bolt [Tenenbaum MM Sclerometers for studying scratch resistance and their application. In the book: Sclerometry. - M .: Nauka, 1968, p. 124].

Недостаток известной конструкции заключается в том, что испытание на царапание различных материалов проводят при условии постоянства глубины царапины (геометрическое нормирование) для всех материалов, в результате чего нормальная составляющая силы царапания непостоянна, и следствием чего является снижение точности моделирования испытаний на изнашивание и соответственно достоверности определения трибологических характеристик материалов. A disadvantage of the known design is that the scratch test of various materials is carried out under the condition that the depth of scratch is constant (geometric normalization) for all materials, as a result of which the normal component of the scratching force is unstable, and as a result, the accuracy of simulation of wear tests and, accordingly, the reliability of determination, are reduced tribological characteristics of materials.

Задачей изобретения является повышение достоверности определения трибологических характеристик материалов за счет исключения погрешности, обусловленной непостоянной величиной нормальной составляющей усилия царапания на контакте индентор- образец. The objective of the invention is to increase the reliability of determining the tribological characteristics of materials by eliminating errors due to the inconsistent value of the normal component of the force of scratching at the indenter-sample contact.

Поставленная задача достигается тем, что склерометр, содержащий установленный на основании корпус, в верхней части которого размещен предметный столик для образца, фиксатор положения образца, маятник, установленный в корпусе на оси, на верхнем конце штока которого закреплен индентор, пусковой и стопорный узлы, согласно изобретению снабжен узлом перемещения образца к индентору, установленным в верхней части столика, и измерителем продольно-осевого перемещения образца. The task is achieved in that the sclerometer containing a housing mounted on the base, in the upper part of which is placed a sample stage for the sample, a sample position lock, a pendulum mounted in the housing on the axis, at the upper end of the rod of which an indenter is fixed, starting and locking assemblies, according to the invention is equipped with a unit for moving the sample to the indenter mounted in the upper part of the table, and a meter for longitudinal-axial movement of the sample.

В предпочтительных вариантах:
- измеритель продольно-осевого перемещения образца выполнен в виде установленной с возможностью осевого перемещения на нижней торцевой поверхности предметного столика пластины, связанной с индикатором перемещения;
- пластина подпружинена относительно нижней торцевой поверхности предметного столика;
- в предметном столике выполнен осевой канал для размещения в нем образца и исполнительного элемента узла перемещения;
- участок штока под осью маятника выполнен в виде упругого элемента, на котором установлены тензорезисторы;
- фиксатор положения образца размещен в выполненном в нижней части столика радиальном канале и выполнен в виде упорной пластины, контактирующей с одной стороны с боковой поверхностью образца, а с другой с прижимным винтом.In preferred embodiments:
- a meter of longitudinal-axial movement of the sample is made in the form of a plate mounted with the possibility of axial movement on the lower end surface of the stage of the plate associated with the indicator of movement;
- the plate is spring loaded relative to the lower end surface of the stage;
- an axial channel is made in the stage for placement of a sample and an actuating element of the displacement unit therein;
- the portion of the rod under the axis of the pendulum is made in the form of an elastic element on which strain gages are installed;
- the sample position lock is located in the radial channel made in the lower part of the stage and is made in the form of a thrust plate in contact with the side surface of the sample on one side and with the clamping screw on the other.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретного варианта его выполнения и сопровождающими чертежами, на которых: на фиг.1 показан общий вид склерометра; на фиг.2 - схема крепления образца в предметном столике; на фиг. 3 - схема крепления образца в предметном столике до начала испытаний при смещении образца. The invention is further illustrated by the description of a specific embodiment and the accompanying drawings, in which: in Fig.1 shows a General view of the sclerometer; figure 2 - diagram of the mounting of the sample in the stage; in FIG. 3 is a diagram of mounting a sample in a stage before testing when the sample is displaced.

На основании склерометра 1 установлен корпус 2, в котором закреплен шток маятника 3, представляющий собой двуплечий рычаг с индентором 4 (твердосплавный конус от твердомера Роквелла с углом 120^o) в верхней части, упругим элементом 5 с тензорезисторами 6 в нижней, и груз 7. Шток маятника вращается на оси 8, лежащей на двух шариковых подшипниках в корпусе установки (не показаны). Образец 9 закреплен в предметном столике 10 таким образом, что одним торцем упирается в поджатую пружинами 11 пластину 12, а на другой воздействуют узлом перемещения 13, вращая маховик 14. Узел перемещения образца 13 закрепляется во втулке 15. Контроль продольно-осевого перемещения образца совместно с пластиной (см. фиг. 3) осуществляется по индикатору перемещения 16 (например, многооборотный индикатор типа 1МИГ ГОСТ 9696-75). Положение образца в предметном столике фиксируют в радиальном направлении упорной пластиной 17 посредством резьбового соединения прижимного винта 18 и втулки 19. Маятник приводится в движение пусковым устройством 20 и останавливается стопорным устройством 21. Тензорезисторы подключены к тензометрическому усилителю 22 и осциллографу 23.On the basis of the sclerometer 1, a casing 2 is installed, in which the pendulum rod 3 is fixed, which is a two-arm lever with an indenter 4 (carbide cone from the Rockwell hardness tester with an angle of 120 ^o ) in the upper part, an elastic element 5 with strain gauges 6 in the lower, and the load 7. The pendulum rod rotates on the axis 8, lying on two ball bearings in the installation housing (not shown). Sample 9 is mounted in the stage 10 in such a way that one end abuts the plate 12 pressed by the springs 11, and the other is affected by the displacement unit 13 by rotating the handwheel 14. The sample displacement unit 13 is fixed in the sleeve 15. The longitudinal-axial movement of the sample together with plate (see. Fig. 3) is carried out by the displacement indicator 16 (for example, multi-turn indicator type 1MIG GOST 9696-75). The position of the sample in the stage is fixed in the radial direction by the thrust plate 17 by means of a threaded connection of the clamping screw 18 and the sleeve 19. The pendulum is driven by the starting device 20 and stopped by the locking device 21. The strain gages are connected to the strain gauge amplifier 22 and the oscilloscope 23.

Единичное царапание индентором (при склерометрических испытаниях) моделирует скольжение единичной абразивной частицы по поверхности материала (или образца материала по абразивной частице при скольжении по закрепленному абразиву). Испытания на изнашивание при скольжении по абразиву проводят в соответствии с ГОСТ 17367-71, при постоянной удельной нагрузке на контакте образец-абразив. Поэтому целесообразно применить условие проведения испытаний при постоянной нагрузке на контакте, к испытаниям на царапание (склерометрическим). При склерометрических испытаниях сила царапания (сила скрайбирования) разделяется на две составляющие R_τ и R_n. Составляющая R_τ обеспечивает скольжение индентора вдоль поверхности образца, а R_n - усилие прижатия индентора к поверхности (т.е. это усилие на контакте индентор - образец, которое должно быть постоянным в соответствии с вышеизложенным). Ранее склерометрические испытания проводили без учета постоянства нормальной составляющей силы скрайбирования, поэтому при реализации данного условия будет повышена точность моделирования механизма воздействия частицы при абразивном изнашивании.A single scratching by an indenter (during sclerometric tests) simulates the sliding of a single abrasive particle over the surface of a material (or a sample of a material over an abrasive particle when sliding over a fixed abrasive). Slip wear tests on abrasive are carried out in accordance with GOST 17367-71, with a constant specific load on the sample-abrasive contact. Therefore, it is advisable to apply the test condition at a constant load on the contact to the scratch test (sclerometric). In sclerometric tests, the scratching force (scribing force) is divided into two components R _τ and R _n . The component R _τ ensures the indenter glides along the surface of the sample, and R _{n the} indenter is pressed against the surface (i.e., this is the force at the indenter – sample contact, which must be constant in accordance with the foregoing). Previously, sclerometric tests were carried out without taking into account the constancy of the normal component of the scribing force, therefore, when this condition is implemented, the accuracy of modeling the mechanism of particle impact during abrasive wear will be increased.

Поддержание постоянного значения нормальной составляющей силы царапания при склерометрических испытаниях осуществляется посредством получения постоянной глубины лунки царапины в среднем сечении для определенной величины твердости материала. Для этого предварительно по эмпирической формуле рассчитывают значение глубины царапины, которая должна получиться в результате единичного царапания при заданном значении нагрузки (нормальной составляющей силы царапания) R_n=const и соответствующей твердости материала HRC для каждого образца:

где h_расч. - расчетная глубина лунки царапины;
HRC - твердость материала;
R_n - нормальная составляющая силы царапания.Maintaining a constant value of the normal component of the scratching force during sclerometric tests is carried out by obtaining a constant depth of the scratch hole in the middle section for a certain amount of material hardness. For this, the value of the scratch depth, which should result from a single scratch at a given value of the load (normal component of the scratching force) R _n = const and the corresponding hardness of the HRC material for each sample, is preliminarily calculated using the empirical formula:

where h _calc. - estimated depth of the scratch hole;
HRC - material hardness;
R _n is the normal component of the scratching force.

Регулировку глубины царапины h осуществляют изменением расстояния между индентором и торцем образца, причем перемещение образца (продольное) на величину δ обеспечивают вращением маховика 14 узла перемещения образца 13 (см. фиг. 3). Принимается, что минимальное расчетное значение ожидаемой глубины лунки - h₀ будет соответствовать δ₀ = 0. Для остальных образцов величину перемещения рассчитывают как разность расчетного значения h_расч и h₀:
δ = h_расч.-h₀.
При этом величину последней устанавливают до начала царапания по шкале индикатора перемещения 16 (типа 1МИГ ГОСТ 9696-75).Adjustment of the scratch depth h is carried out by changing the distance between the indenter and the end of the sample, and moving the sample (longitudinal) by δ is provided by rotating the flywheel 14 of the sample moving unit 13 (see Fig. 3). It is assumed that the minimum calculated value of the expected depth of the hole - h ₀ will correspond to δ ₀ = 0. For other samples, the displacement value is calculated as the difference between the calculated value of h _calculation and h ₀ :
δ = h _calc. -h ₀ .
In this case, the value of the latter is set before scratching on the scale of the displacement indicator 16 (type 1MIG GOST 9696-75).

В связи со сложностью и низкой точностью измерения глубины царапины h измеряют ширину лунки царапины b₀ с помощью микроскопа (например, МИМ-7), т. к. известно, что при царапании коническим индентором с углом при вершине 120^o, глубина и ширина лунки связаны между собой соотношением:
h=0,289 b₀
Маятниковый склерометр работает следующим образом.Due to the complexity and low accuracy of measuring the depth of the scratch h, the width of the scratch hole b _{0 is} measured using a microscope (for example, MIM-7), because it is known that when scratching with a conical indenter with an apex angle of 120 ^o , the depth and width of the hole are interconnected by the ratio:
h = 0.289 b ₀
The pendulum sclerometer operates as follows.

Образец 9 устанавливают в предметный столик 10, и вращая маховик 14, перемещают образец посредством узла перемещения 13 в продольно-осевом направлении до соприкосновения нижней торцевой поверхности с индентором 4, которое определяют визуально слабым покачиванием штока маятника 3. Далее устанавливают стрелку индикатора перемещения 16 (типа 1МИГ ГОСТ 9696-75) в положение "0" (см. фиг. 2) и отводят шток маятника 3 из положения равновесия до фиксирования в пусковом устройстве 20. Вращая маховик 14, обеспечивают продольно-осевое перемещение образца 9 (в случае, если величина δ > δ₀ ), при этом пластина 12 перемещается вместе с образцом на величину δ, которая определяется по отклонению стрелки индикатора перемещения 16 (типа 1МИГ ГОСТ 9696-75) (см. фиг. 3) и соответствует ожидаемой глубине лунки царапины h для материала твердости HRC (некоторая величина) при постоянном значении нормальной составляющей силы царапания R_n=const. Для фиксирования образца в этом положении закручивают прижимной винт 18 и прижимают боковую поверхность образца пластиной 17. Маятник 3 приводится в движение пусковым устройством 20, совершает рабочий ход, во время которого индентор 4 царапает торец образца 9 (см. фиг. 3) и останавливается стопорным устройством 21. Одновременно с пуском маятника 3 включается измерительная тензометрическая аппаратура: усилитель 22 и осциллограф 23. При сопротивлении материала образца 9 передвижению индентора 4 деформируется, формируется упругий элемент 5 штока маятника, тензорезисторы 6 регистрируют величину деформации как тангенциальную составляющую силы царапания R_τ (максимальное значение силы на осциллограмме соответствует требуемой глубине лунки h в среднем сечении). Сигнал тензорезисторов 6 усиливается тензометрическим усилителем 22 и записывается на осциллографе 23. После остановки маятника 3 стопорным устройством 21 образец 9 извлекают из предметного столика 10 и на микроскопе (МИМ-7) измеряют характерные размеры царапины: ширину лунки царапины b₀ и ширину пластически деформированной зоны b^*.Sample 9 is installed in the stage 10, and rotating the flywheel 14, the sample is moved by means of the displacement assembly 13 in the longitudinal-axial direction until the lower end surface contacts the indenter 4, which is determined by visually slight swaying of the pendulum rod 3. Next, the arrow of the displacement indicator 16 (type 1MIG GOST 9696-75) to the "0" position (see Fig. 2) and swing the pendulum rod 3 from the equilibrium position until it is fixed in the starting device 20. Rotating the flywheel 14, provide longitudinal-axial movement of the sample 9 (in case of e, if the value of δ> δ _0), the plate 12 is moved together with the sample by an amount δ, which is determined from the deviation of the travel indicator arrows 16 (type 1MIG GOST 9696-75) (see. FIG. 3) and corresponds to the expected depth of the wells scratches h for the material hardness HRC (some value) at a constant value of the normal component of the scratching force R _n = const. To fix the sample in this position, tighten the clamping screw 18 and press the side surface of the sample with the plate 17. The pendulum 3 is set in motion by the starting device 20, makes a working stroke, during which the indenter 4 scratches the end of the sample 9 (see Fig. 3) and stops device 21. Simultaneously with the start of the pendulum 3, the measuring tensometric equipment is turned on: an amplifier 22 and an oscilloscope 23. When the material of the sample 9 is resisted to move the indenter 4, it deforms, the elastic element 5 of the May rod is formed In this case, strain gages 6 register the strain value as the tangential component of the scratching force R _τ (the maximum value of the force on the waveform corresponds to the required depth of the hole h in the middle section). The signal of the strain gauges 6 is amplified by a strain gauge amplifier 22 and recorded on an oscilloscope 23. After stopping the pendulum 3 by the locking device 21, the sample 9 is removed from the stage 10 and the characteristic size of the scratch is measured using a microscope (MIM-7): the width of the scratch hole b ₀ and the width of the plastically deformed zone b ^* .

Расчет показателей трибологических свойств производится по значениям максимальной тангенциальной составляющей силы царапания R_τ, ширины лунки b₀ и пластически деформированной зоны b^*. Под трибологическими характеристиками понимаются коэффициент трения, износостойкость и др.The calculation of the indicators of tribological properties is carried out according to the values of the maximum tangential component of the scratching force R _τ , the width of the hole b ₀ and the plastically deformed zone b ^* . Tribological characteristics are understood as the coefficient of friction, wear resistance, etc.

Коэффициент трения при царапании рассчитывается по формуле

где (R_τ)_max - максимальное значение тангенциальной составляющей силы царапания.The coefficient of friction during scratching is calculated by the formula

where (R _τ ) _max is the maximum value of the tangential component of the scratching force.

Износостойкость рассчитывают по комплексу локальных и объемных механических характеристик:
И = A₁HV+A₂σ_в+A₃σ_0,2+A₄E_пд+A₅E^*+A₆σ^*+A₇ψ+A₈η.
где A₁ - A₈ - коэффициенты регрессии; HV - твердость по Виккерсу; σ_в - предел прочности; σ_0,2 - предел текучести; ψ - относительное сужение; δ - относительное удлинение; E_пд - энергоемкость при пластическом деформировании; E_* - локальная энергоемкость; σ^* - напряжение при царапании; η - коэффициент локальной пластичности.Wear resistance is calculated by a complex of local and volumetric mechanical characteristics:
And = A ₁ HV + A ₂ σ _in + A ₃ σ _0.2 + A ₄ E _sd + A ₅ E ^* + A ₆ σ ^* + A ₇ ψ + A ₈ η.
where A ₁ - A ₈ - regression coefficients; HV — Vickers hardness; σ _in - ultimate strength; σ _0.2 - yield strength; ψ is the relative narrowing; δ is the elongation; E _PD - energy intensity during plastic deformation; E _* - local energy intensity; σ ^* is the stress during scratching; η is the coefficient of local ductility.

При этом E^* - локальная энергоемкость; σ^* - напряжение при царапании; η - коэффициент локальной пластичности рассчитываются по результатам склерометрических испытаний по формулам:
- коэффициент локальной пластичности
η = b^*/b₀;
- напряжение при царапании
σ^* = (R_τ)_max/(b₀)²
- локальная энергоемкость
E^* = 3,24(R_τ)_max/(b^*)².
Технический результат изобретения состоит в том, что при царапании (скрайбировании) силовое нормирование (R_n=const) обеспечивает более точное моделирование механизмов воздействия индентора и абразивной частицы на поверхность материала при слерометрических и трибологических испытаниях.Moreover, E ^* is the local energy intensity; σ ^* is the stress during scratching; η - the coefficient of local ductility is calculated according to the results of sclerometric tests according to the formulas:
- coefficient of local ductility
η = b ^* / b ₀ ;
- stress when scratching
σ ^* = (R _τ ) _max / (b ₀ ) ²
- local energy intensity
E ^* = 3.24 (R _τ ) _max / (b ^* ) ² .
The technical result of the invention is that when scratching (scribing), force regulation (R _n = const) provides a more accurate simulation of the mechanisms of action of the indenter and the abrasive particle on the surface of the material during serrometric and tribological tests.

Claims

1. A sclerometer containing a housing mounted on the base, in the upper part of which there is a sample stage for the sample, a sample position lock, a pendulum mounted in the housing on an axis, at the upper end of the rod of which an indenter is fixed, starting and locking assemblies, characterized in that it equipped with a unit for moving the sample to the indenter installed in the upper part of the table, and a meter for longitudinal-axial movement of the sample.

2. The sclerometer according to claim 1, characterized in that the longitudinal-axial displacement meter of the sample is made in the form of a plate mounted with the possibility of axial displacement on the lower end surface of the object stage connected with the displacement indicator.

3. The sclerometer according to claim 2, characterized in that the plate is spring loaded relative to the lower end surface of the stage.

4. The sclerometer according to claim 1, characterized in that an axial channel is made in the stage for placing the sample and the actuating element of the displacement assembly therein.

5. The sclerometer according to claim 1, characterized in that the portion of the rod under the axis of the pendulum is made in the form of an elastic element on which strain gages are installed.

6. The sclerometer according to claim 1, characterized in that the sample position lock is located in the radial channel made in the lower part of the table and is made in the form of a thrust plate in contact with the side surface of the sample on one side and with the clamping screw on the other.