RU2714515C1 - Device 3d visualization of deformation state of material surface in area of elastic deformations - Google Patents

Device 3d visualization of deformation state of material surface in area of elastic deformations Download PDF

Info

Publication number
RU2714515C1
RU2714515C1 RU2019126330A RU2019126330A RU2714515C1 RU 2714515 C1 RU2714515 C1 RU 2714515C1 RU 2019126330 A RU2019126330 A RU 2019126330A RU 2019126330 A RU2019126330 A RU 2019126330A RU 2714515 C1 RU2714515 C1 RU 2714515C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
ray
unit
cylindrical tube
receivers
microindenter
Prior art date
Application number
RU2019126330A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Андрей Леонидович Николаев
Александр Гургенович Сукиязов
Владимир Борисович Зеленцов
Евгений Валерьевич Садырин
Сергей Михайлович Айзикович
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) filed Critical федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ)
Priority to RU2019126330A priority Critical patent/RU2714515C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2714515C1 publication Critical patent/RU2714515C1/en
Priority to PCT/RU2020/000431 priority patent/WO2021034219A2/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N19/00—Investigating materials by mechanical methods
    • G01N19/08—Detecting presence of flaws or irregularities
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N23/00—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00
    • G01N23/20—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by using diffraction of the radiation by the materials, e.g. for investigating crystal structure; by using scattering of the radiation by the materials, e.g. for investigating non-crystalline materials; by using reflection of the radiation by the materials

Abstract

FIELD: technological processes; physics.
SUBSTANCE: invention relates to devices for determining elastic properties of materials by indenting a microindentor in the surface of a sample at a given depth in the region of elastic deformations. 3D visualization device comprises a point X-ray source, a rotating goniometric table with a specimen attachment unit and a mechanical unit for power loading of the analyzed material, X-ray detectors, as well as a computer processing and control unit. Device additionally includes a special assembly comprising a coaxial section of a cylindrical tube of material which is transparent for X-rays, a microindentor and a device for linear movement of the microindentor. Mechanical unit of power loading, made in form of micrometric screw with divisions, together with device of linear movement are rigidly fixed on upper end of introduced cylindrical tube outside it, and the lower end of the tube is connected by a screw connection to the mounting seat for attachment of the introduced special assembly on the goniometric table. On the upper plane of the seat inside the cylindrical tube there is a unit for attachment of the analyzed sample. Distance between the X-ray source and receivers is selected equal to 30 ± 5 mm, and the goniometric table with the special unit is located in the middle between the X-ray source and the receivers.
EFFECT: high technological capabilities of the X-ray microtomograph, which consists in visualizing the deformation state of the material without terminating the force action and increasing resolution.
1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам определения упругих свойств материалов путем вдавливания микроиндентора в поверхность образца на заданную глубину в области упругих деформаций.The invention relates to devices for determining the elastic properties of materials by pressing a microindenter into the surface of a sample to a predetermined depth in the field of elastic deformations.

В известных устройствах вдавливание микроиндентора в поверхность образца с заданной нагрузкой сопровождается совокупностью достаточно большого числа физических процессов, к которым в первую очередь следует отнести упругие и пластические деформации. Используемые в настоящее время индентометры (например, Наноиндентометр Nanotest 600 Platform 3 (Micro Materials, Великобритания)) позволяют регистрировать локальные деформационные кривые при внедрении микроиндентора. В большинстве случаев образцы материалов для исследований являются гетерогенными и к указанным физическим процессам добавляется взаимодействие между фазами (кристаллитами), которое влияет на размеры отпечатка микроиндентора. При этом отпечаток микроиндентора имеет ключевое значение.In known devices, the indentation of a microindenter into the surface of a sample with a given load is accompanied by a combination of a sufficiently large number of physical processes, which in the first place include elastic and plastic deformations. The indentometers currently used (for example, the Nanotest 600 Platform 3 Nanoindentometer (Micro Materials, UK)) make it possible to register local deformation curves when introducing a microindenter. In most cases, samples of materials for research are heterogeneous and the interaction between phases (crystallites) is added to the indicated physical processes, which affects the size of the microindenter imprint. In this case, the imprint of the microindenter is of key importance.

Истинное значение области контакта микроиндентора с поверхностью образца можно определить только не прерывая контакт микроиндентора с поверхностью. При нахождении упругих свойств материала в чистом виде необходимо получение информации о внедрении микроиндентора до возникновения пластической деформации. При этом важное значение имеет информация о площади контакта микроиндентора с материалом. Для решения этой задачи предлагается получить 3D визуалиацию деформационного состояния поверхности материалов под воздействием микроиндентора без его удаления. The true value of the area of contact of the microindenter with the surface of the sample can be determined only without interrupting the contact of the microindenter with the surface. When finding the elastic properties of the material in its pure form, it is necessary to obtain information about the introduction of a microindenter before plastic deformation occurs. In this case, information on the contact area of the microindenter with the material is important. To solve this problem, it is proposed to obtain a 3D visualization of the deformation state of the surface of materials under the influence of a microindenter without removing it.

Предлагаемое изобретение посвящено определению реальной области контакта микроиндентора с исследуемым материалом как в случае однородного образца, так и при наличии гетерогенности, например, тонких пленок на поверхности подложки. функционально-градиентных, пористых, вязко-упругих, слоистых материалов и материалов с отрицательным коэффициентом Пуассона. The present invention is devoted to determining the real contact area of the microindenter with the material under study, both in the case of a homogeneous sample and in the presence of heterogeneity, for example, thin films on the surface of the substrate. functionally gradient, porous, visco-elastic, layered materials and materials with a negative Poisson's ratio.

Большинство методов определения упругих свойств поверхности основывается на измерении размеров отпечатка оптическим способом. Использование оптического излучения накладывает ограничение на предельную точность, связанную с длиной волны оптического излучения. Однако известен метод инструментального индентирования (Гоголинский К. В. Средства и методы контроля геометрических параметров и механических свойств твердых тел с микро- и нанометровым пространственным разрешением. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. С.-П.: Национальный минерало-сырьевой университет «Горный», 2015, с. 264) преимуществом которого является отсутствие необходимости измерения размеров отпечатка оптическим микроскопом, что позволяет автоматизировать процесс контроля и набирать большой объем результатов измерений для статистической обработки, тем самым кардинально повышая достоверность измерений. Существенным отличием метода инструментального индентирования от всех других методов измерения твердости является возможность измерения модуля упругости (Юнга), коэффициента упругого восстановления, ползучести и др. Most methods for determining the elastic properties of a surface are based on measuring the dimensions of a print in an optical manner. The use of optical radiation imposes a limit on the ultimate accuracy associated with the wavelength of optical radiation. However, the method of instrumental indentation is known (K. Gogolinsky. Means and methods of control of geometric parameters and mechanical properties of solids with micro- and nanometer spatial resolution. The dissertation for the degree of Doctor of Technical Sciences. S.-P.: National Mineral Resources University Gorny, 2015, p. 264) whose advantage is the absence of the need to measure the size of the fingerprint with an optical microscope, which allows automating the control process and gaining a large amount of ultatov measurements for statistical processing, thereby drastically improving the measurement accuracy. A significant difference between the instrumental indentation method and all other methods of measuring hardness is the ability to measure the elastic modulus (Young), the coefficient of elastic recovery, creep, etc.

Область, где метод инструментального индентирования имеет кардинальное преимущество перед всеми другими: измерение механических свойств тонких пленок и покрытий, однако при этом необходимо располагать информацией о свойствах, как материала пленки, так и свойствах материала подложки. Отличие упрочненных и модифицированных слоев от тонких покрытий заключается чаще всего в наличии или отсутствии границы раздела между поверхностным слоем и подложкой. Покрытия имеют, как правило, иной химический состав и физико-механические свойства, нежели материал подложки и, следовательно, на границе раздела происходит резкое изменение свойств, приводящее зачастую к возникновению напряженных состояний в системе покрытие-подложка. При поверхностной модификации свойства материала могут плавно меняться по мере заглубления в исходный материал. В этом случае необходимо контролировать не только свойства поверхностного слоя с постоянными свойствами, но их распределение по глубине. The area where the instrumental indentation method has a cardinal advantage over all others: measuring the mechanical properties of thin films and coatings, however, it is necessary to have information about the properties of both the film material and the properties of the substrate material. The difference between hardened and modified layers from thin coatings is most often the presence or absence of an interface between the surface layer and the substrate. Coatings, as a rule, have a different chemical composition and physicomechanical properties than the substrate material and, therefore, at the interface there is a sharp change in properties, which often leads to stress states in the coating-substrate system. With surface modification, the properties of the material can smoothly change as they penetrate into the starting material. In this case, it is necessary to control not only the properties of the surface layer with constant properties, but their depth distribution.

Недостатком метода инструментального индентирования можно считать высокую чувствительность к различным факторам, влияющим на точность измерений и достоверность получаемых данных. Следует обратить внимание, что при отсутствии оптических измерений, отпечаток микроиндентора есть, т.е. есть пластическая деформация.The disadvantage of the instrumental indentation method is the high sensitivity to various factors affecting the accuracy of measurements and the reliability of the data obtained. It should be noted that in the absence of optical measurements, there is a microindenter imprint, i.e. there is plastic deformation.

Известен способ определения деформационного состояния поверхности твердых тел путем измерения модуля упругости [ Способ определения модуля упругости Юнга материалов, пат. 2292029 Рос. Федерация: МПК G01IN 3/08 Вахрушев А. В., Липанов A.M.,Шушков А. А., заявитель и патентообладатель Ижевск , ин-т прикладной механики . - №2005114036/28; заявл . 06.05.2005; опубл . 20.01.2007, Бюл . №2. 6 с .: ил.6], основанный на том , что проводят экспериментальное сжатие шарообразной наночастицы сосредоточенной силой, вычисляют перемещение в точке действия силы на наночастицу ; проводят расчет зависимости перемещений от радиуса наночастицы при ее сжатии сосредоточенными силами с помощью компьютерного эксперимента методом молекулярной динамики ; сравнивают экспериментальную зависимость перемещения в точке действия силы на наночастицу и зависимость перемещений от радиуса наночастицы, полученную с помощью компьютерногоэксперимента с аналитическим решением зависимости перемещений от радиусаупругого шара , сжимаемого сосредоточенными силами , приложенными в противоположные концы диаметра для справочных значений модуля упругости и коэффициента поперечных деформаций исследуемого материала; изменяя модуль упругости , находят такие его значения, при которых совпадают экспериментальная зависимость перемещения в точке действия силы на наночастицу и полученная с помощью компьютерного моделирования зависимость перемещений от радиуса наночастицы с аналитической зависимостью перемещений от радиуса упругого шара, сжимаемого сосредоточенными силами ; вычисляют модуль упругости как среднеарифметическое значение, полученное из двух сравнений. A known method for determining the deformation state of the surface of solids by measuring the elastic modulus [Method for determining the Young's modulus of elasticity of materials, US Pat. 2292029 Ros. Federation: IPC G01IN 3/08 Vakhrushev A.V., Lipanov A.M., Shushkov A.A., applicant and patentee Izhevsk, Institute of Applied Mechanics. - No. 2005114036/28; declared 05/06/2005; publ. 01/20/2007, bull. No. 2. 6 pp.: Ill.6], based on the fact that they conduct experimental compression of a spherical nanoparticle by concentrated force, calculate the displacement at the point of action of the force on the nanoparticle; calculate the dependence of displacements on the radius of the nanoparticle when it is compressed by concentrated forces using a computer experiment using the molecular dynamics method; the experimental dependence of the displacement at the point of force on the nanoparticle is compared and the dependence of displacements on the radius of the nanoparticle obtained using a computer experiment with the analytical solution of the dependence of displacements on the radius of an elastic ball compressed by concentrated forces applied to opposite ends of the diameter for reference values of the elastic modulus and the coefficient of transverse deformations of the material under study ; changing the elastic modulus, one finds its values at which the experimental dependence of the displacement at the point where the force acts on the nanoparticle coincides and the dependence of the displacements on the radius of the nanoparticle obtained by computer simulation with the analytical dependence of the displacements on the radius of an elastic ball compressed by concentrated forces; calculate the modulus of elasticity as the arithmetic mean value obtained from two comparisons.

Недостатком указанного способа определения модуля упругости является его применимость только к частицам шарообразной формы. Кроме того, получение необходимой информации происходит после обработки параметров отпечатка удаленного микроиндентора. Указанный способ не дает возможность 3D визуализировать напряженное состояние поверхности и наблюдать область контакта микроиндентора с поверхностью исследуемого тела.The disadvantage of this method of determining the modulus of elasticity is its applicability only to particles of a spherical shape. In addition, the necessary information is obtained after processing the fingerprint parameters of the remote microindenter. The specified method does not allow 3D to visualize the stress state of the surface and to observe the contact area of the microindenter with the surface of the investigated body.

Известны методы изучения механического состояния поверхности с помощью сканирующих нанотвердомеров (Масленников И.И. Физические модели работы сканирующих нанотвердомеров. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. На правах рукописию. М.: Московский физико-технический институт (государственный университет) 2016, с.200). Суть методов состоит в том, что изучение физических свойств однородных и гетерогенных материалов осуществляется с использованием подходов свойственных сканирующей зондовой микроскопии и наноиндентированию. Known methods for studying the mechanical state of the surface using scanning nanosolid meters (Maslennikov I.I. Physical models of scanning nanosolid meters. The dissertation for the degree of candidate of physical and mathematical sciences. On the rights of manuscript. M .: Moscow Institute of Physics and Technology (State University) 2016 , p.200). The essence of the methods is that the study of the physical properties of homogeneous and heterogeneous materials is carried out using the approaches inherent in scanning probe microscopy and nanoindentation.

Недостатком этих методов является то, что визуализация сводится к картографированию локальных значений модуля упругости, твердости и электропроводности исследуемых образцов с субмикронным пространственным разрешением в ходе сканирования и обработки данных после взаимодействия используемых зондов с исследуемой поверхностью. Область контакта зонда с поверхностью наблюдению недоступна.The disadvantage of these methods is that visualization is reduced to mapping local values of the modulus of elasticity, hardness and electrical conductivity of the samples under study with submicron spatial resolution during scanning and data processing after the interaction of the probes used with the test surface. The area of contact of the probe with the surface is not accessible to observation.

Ближайшим по технической сущности решением вопроса 3D визуалиации деформационного состояния поверхности материалов без удаления микроиндентора является рентгеновский микро-(нано) томограф Термин "томография" происходит от греческих слов: τομοσ - сечение и γραφοσ - пишу, «пишу по сечениям». Методы микротомографии направлены на неразрушающее получение послойного изображения внутренней структуры объекта. В данном случае это система микроиндентор-исследуемый материал.The closest technical solution to the issue of 3D visualization of the deformation state of the surface of materials without removing the microindenter is an X-ray micro (nano) tomograph. The term “tomography” comes from Greek words: τομοσ - section and γραφοσ - I write, “I write by sections”. Microtomography methods are aimed at non-destructive obtaining of a layered image of the internal structure of an object. In this case, it is a microindenter-studied material system.

Рентгеновские методы неразрушающего контроля (НК) базируются на «просвечивании» объектов рентгеновским излучением с непосредственной или последующей регистрацией теневого изображения. Проходящее через объект тормозное излучение ослабляется в результате поглощения и рассеяния. Степень ослабления зависит от толщины и плотности контролируемого объекта. При наличии в веществе внутренних дефектов с определёнными размерами резко изменяются интенсивность и энергия проходящего через эти дефекты пучка излучения.X-ray methods of non-destructive testing (ND) are based on the "transmission" of objects by X-ray radiation with direct or subsequent registration of a shadow image. The bremsstrahlung passing through an object is attenuated as a result of absorption and scattering. The degree of attenuation depends on the thickness and density of the controlled object. In the presence of internal defects of a certain size in a substance, the intensity and energy of a radiation beam passing through these defects change sharply.

Современный рентгеновский микротомограф состоит из четырех основных систем: рентгеновская трубка, система позиционирования образца, детектор и блок управления с управляющими компьютерами. Рентгеновская трубка, представляющая собой точечный источник рентгеновского излучения, освещает объект, расположенный на гониометрическом столике. Для получения необходимого количества проекций рабочий стол с испытуемым образцом должен вращается вокруг вертикальной оси Z на 360 град, и получаются увеличенные теневые проекции на поверхности приемника (детектора). На основе сотен проекций, собранных под разными углами при перемещении объекта системой позиционирования компьютер реконструирует набор виртуальных сечений объекта. Благодаря этому оказывается возможным реализовать 3D – визуализацию просвечиваемого исследуемого объекта. Оператор может получать сечения под любым углом и создавать трехмерные изображения объекта и его структуры для виртуального перемещения внутри объекта исследования (Бузмаков А. В. Рентгеновская микротомография с использованием увеличивающих рентгенооптических элементов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук (на правах рукописи). Работа выполнена на кафедре общей физики и волновых процессов физического факультета Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова. М. 2009. с.22. A modern X-ray microtomograph consists of four main systems: an X-ray tube, a sample positioning system, a detector and a control unit with control computers. An x-ray tube, which is a point source of x-ray radiation, illuminates an object located on a goniometric table. To obtain the required number of projections, the desktop with the test sample should rotate around the vertical Z axis 360 degrees, and enlarged shadow projections on the surface of the receiver (detector) are obtained. Based on hundreds of projections collected at different angles when moving an object with a positioning system, the computer reconstructs a set of virtual sections of the object. Thanks to this, it is possible to realize 3D visualization of the illuminated object under study. The operator can obtain sections at any angle and create three-dimensional images of the object and its structure for virtual movement inside the object of study (Buzmakov A.V. X-ray microtomography using magnifying X-ray optical elements. Abstract of dissertation for the degree of candidate of physical and mathematical sciences (as a manuscript ). The work was performed at the Department of General Physics and Wave Processes, Faculty of Physics, MV Lomonosov Moscow State University. M. 20 09.p.22.

Важным параметром получаемого изображения является разрешение, зависящее от величины фокусного пятна. Уменьшение фокального пятна приводит к увеличению разрешения. Используемые в томографе источники рентгеновского излучения создают расходящийся поток рентгеновских лучей. Из чисто геометрических соображений ясно, что чем ближе образец к точечному источнику излучений (при неизменном расстоянии от источника до приемника) тем больше коэффициент увеличения и, тем самым размер проекции на поверхность детектора. Чрезмерное увеличение расстояния от объекта до приемника приводит к размытию изображения в результате дифракции и других причин. An important parameter of the resulting image is the resolution, depending on the magnitude of the focal spot. Reducing the focal spot leads to an increase in resolution. The x-ray sources used in the tomograph create a diverging stream of x-rays. From purely geometric considerations, it is clear that the closer the sample to a point source of radiation (at a constant distance from the source to the receiver), the larger the magnification factor and, thus, the size of the projection onto the detector surface. Excessive increase in the distance from the object to the receiver leads to blurring of the image due to diffraction and other reasons.

Недостатком устройства является отсутствие возможности исследования упругих свойств объекта с помощью микроиндентора. Снабжение штатного устройства позиционирования микроиндентором не дает возможности реализовать возможности рентгеновского томографа по достижению требуемой разрешающей способности. Причина этого состоит в размере штатного устройства позиционирвания, не позволяющего уменьшать расстояние от источника до детектора рентгеновского излучения. Все это снижает технологическое возможности исследования упругих свойств материалов с помощью микротомографа.The disadvantage of this device is the inability to study the elastic properties of an object using a microindenter. The supply of a standard positioning device with a microindenter does not make it possible to realize the capabilities of an X-ray tomograph to achieve the required resolution. The reason for this is the size of the standard positioning device, which does not allow to reduce the distance from the source to the X-ray detector. All this reduces the technological ability to study the elastic properties of materials using a microtomograph.

Задачей предлагаемого изобретения явилось расширение технологических возможностей микротомографа состоящее в визуализации деформационного состояния материала без прекращения силового воздействия и повышение разрешающей способности The objective of the invention was to expand the technological capabilities of the microtomograph consisting in visualizing the deformation state of the material without stopping the force and increasing the resolution

Сущность изобретения заключается в том, что в устройство 3D визуалиации деформационного состояния поверхности материала в области упругих деформаций содержащее точечный источник рентгеновского излучения, вращающийся гониометрический столик с блоком крепления образца и механическим блоком силового нагружения исследуемого материала, приемники рентгеновского излучения, а также компьютерный блок обработки и управления, введен специальный узел содержащий расположенные соосно отрезок цилиндрической трубки из материала прозрачного для рентгеновских лучей, микроиндентор и устройство линейного перемещения микроиндентора, при этом механический блок силового нагружения, выполненный в виде микрометрического винта с делениями связанного с устройством линейного перемещения индентора, жестко укреплены на верхнем торце введенной цилиндрической трубки вне её, а нижний конец трубки соединен винтовым соединением с посадочным местом для крепления введенного специального узла на гониометрическом столике, кроме того, на верхней плоскости посадочного места, внутри цилиндрической трубки находится блок крепления исследуемого образца, одновременно для повышения разрешающей способности расстояние между источником и приемниками рентгеновского излучения выбирается равным 30 ± 5 мм, а гониометрический столик со специальным узлом располагается по середине между источником и приемниками рентгеновского излучения.The essence of the invention lies in the fact that in the device for 3D visualization of the deformation state of the surface of the material in the field of elastic deformations, it contains a point source of x-ray radiation, a rotating goniometric table with a block for mounting the sample and a mechanical block for the force loading of the test material, x-ray receivers, as well as a computer processing unit and control, introduced a special unit containing located coaxially a segment of a cylindrical tube of transparent material for x-rays, a microindenter and a linear displacement device of a microindenter, while the mechanical power loading unit, made in the form of a micrometer screw with divisions associated with the indenter linear displacement device, is rigidly mounted on the upper end of the inserted cylindrical tube outside it, and the lower end of the tube is connected by a screw connection to a seat for mounting the introduced special unit on a goniometric table, in addition, on the upper plane of the seat, inside the cylinder Coy tube block is the test sample mount for simultaneously increasing resolution distance between source and receiver x-ray radiation is selected to be 30 ± 5 mm and goniometric stage with special node located midway between the source and the receiver of X-ray radiation.

Технический результат, состоящий в расширении технологических возможностей при исследовании упругих деформаций материала обеспечивается проникающей способностью рентгеновских лучей, позволяющей визуализировать деформационное состояния материала в объеме без прекращения силового воздействия на микроиндентор и удаления его для анализа отпечатка. Кроме того, за счет небольшого размера введенного специального узла с объектом исследования, благодаря которому удается уменьшить расстояние между излучателями рентгеновского излучения и приемниками, что обеспечивает повышение разрешающей способности.The technical result, which consists in expanding technological capabilities in the study of elastic deformations of a material, is ensured by the penetrating ability of X-rays, which makes it possible to visualize the deformation state of the material in volume without stopping the force on the microindenter and removing it for fingerprint analysis. In addition, due to the small size of the introduced special unit with the object of study, due to which it is possible to reduce the distance between the x-ray emitters and the receivers, which provides an increase in resolution.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на The invention is illustrated by drawings, where

фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемого устройства; FIG. 1 shows a block diagram of the proposed device;

фиг.2 – фотография лабораторного экземпляра изготовленного специального узла, общий вид; figure 2 is a photograph of a laboratory specimen manufactured a special unit, General view;

фиг. 3 - увеличенный фрагмент цилиндрической трубки и находящимися внутри нее элементами;FIG. 3 - an enlarged fragment of a cylindrical tube and the elements inside it;

фиг.4 – пример полученной визуализации упругого состояния образца акрила при внедрения стеклянного индентора. Проекция на плоскость X-Z.figure 4 is an example of the resulting visualization of the elastic state of the acrylic sample during the implementation of the glass indenter. Projection on the X-Z plane.

Устройство содержит точечный источник рентгеновского излучения 1, вращающийся гониометрический столик 2 с блоком крепления образца 3 и механическим блоком силового нагружения 4 исследуемого материала, приемники рентгеновского излучения 5, а также компьютерный блок обработки и управления 6. С целью расширения технологических возможностей при исследовании упругих деформаций материала устройство снабжено специальным узлом содержащим расположенные соосно отрезок цилиндрической трубки 7 из материала прозрачного для рентгеновских лучей, микроиндентор 8 и устройство линейного перемещения 9 микроиндентора 8, при этом механический блок силового нагружения 4, выполненный в виде микрометрического винта с делениями, совместно с устройством линейного перемещения 9 жестко укреплены на верхнем торце введенной цилиндрической трубки 7 вне её, а нижний конец трубки 7 соединен винтовым соединением с посадочным местом для крепления введенного специального узла на гониометрическом столике 2, кроме того, на верхней плоскости посадочного места, внутри цилиндрической трубки 7 находится блок крепления исследуемого образца 3, и образец исследуемого материала 10 одновременно для повышения разрешающей способности расстояние между источником 1 и приемниками рентгеновского излучения 5 выбирается равным 30 ± 5 мм, а гониометрический столик 2 со специальным узлом располагается по середине между источником и приемниками 5 рентгеновского излучения.The device contains a point source of X-ray radiation 1, a rotating goniometric table 2 with a sample mounting unit 3 and a mechanical power loading unit 4 of the test material, X-ray receivers 5, as well as a computer processing and control unit 6. In order to expand technological capabilities in the study of elastic deformations of the material the device is equipped with a special unit containing located coaxially a segment of the cylindrical tube 7 of a material transparent to x-rays, the microindenter 8 and the linear displacement device 9 of the microindenter 8, while the mechanical power loading unit 4, made in the form of a micrometer screw with divisions, together with the linear displacement device 9 are rigidly mounted on the upper end of the introduced cylindrical tube 7 outside it, and the lower end of the tube 7 is connected screw connection with the seat for mounting the entered special site on the goniometric table 2, in addition, on the upper plane of the seat, inside the cylindrical tube 7 is b the mounting lock of the test sample 3, and the sample of the test material 10 at the same time to increase the resolution, the distance between the source 1 and the X-ray receivers 5 is selected equal to 30 ± 5 mm, and the goniometric table 2 with a special unit is located in the middle between the source and the X-ray receivers 5.

Специальный узел, изготовленного для экспериментальной проверки работоспособности и эффективности предлагаемого устройства лабораторного макета, содержит соосные отрезок цилиндрической трубки 7 из смолы, максимально прозрачной для рентгеновского излучения. На верхнем торце цилиндрической трубки 7 вне её жестко (с помощью эпоксидного клея 11) укреплены механический блок силового нагружения 4, выполненный в виде микрометрического винта с делениями, совместно с устройством линейного перемещения 9 микроиндентора 8, который фиксируется в специальном патроне 12 с винтом 13. . Исследуемый образец 10 расположен на блоке крепления образца 3. Цанга 14 предназначена для крепления держателя на штатном гониометрическом столике 2 микротомографа и представляет собой посадочное место. Блок крепления образца 3 выполнен совместно с цангой 14 и с помощью винтового соединения 15 фиксируется на нижнем торце цилиндрической трубки 7.A special unit made for experimental verification of the operability and effectiveness of the proposed laboratory layout device contains a coaxial segment of a cylindrical tube 7 made of resin that is as transparent as possible for x-ray radiation. On the upper end of the cylindrical tube 7 outside it is rigidly (using epoxy glue 11) a mechanical power loading unit 4 is made, made in the form of a micrometer screw with divisions, together with a linear displacement device 9 of the microindenter 8, which is fixed in a special cartridge 12 with a screw 13. . The test sample 10 is located on the mounting block of sample 3. Collet 14 is designed to mount the holder on a standard goniometric table 2 microtomograph and represents a seat. The mounting block of the sample 3 is made in conjunction with a collet 14 and with the help of a screw connection 15 is fixed on the lower end of the cylindrical tube 7.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Подготовленный предварительно образец 10 устанавливается на блоке крепления образца 3. Микроиндентор 8 с помощью блока механического нагружения 4 и линейного перемещения 9 приводится в контакт с поверхностью образца 10. Этот процесс осуществляется при контроле с помощью микроскопа. После этого включается источник рентгеновского излучения 1. Гониометрический столик 2 обеспечивает вращение специального узла. Рассеянные системой рентгеновские лучи регистрируются приемниками рентгеновского излучения 5. Полученные послойные изображения с помощью компьютерного блока обработки и управления 6 сшиваются в 3D визуалиализированную модель деформационного состояния поверхности материала. Далее, с помощью блока механического нагружения 4 и линейного перемещения 9 производится перемещение микроиндентора 8 и повторяется описанный выше процесс.The proposed device operates as follows. Pre-prepared sample 10 is mounted on the mounting block of sample 3. Microindenter 8 is brought into contact with the surface of sample 10 using a mechanical loading unit 4 and linear displacement 9. This process is carried out under control with a microscope. After that, the source of x-ray radiation 1. The goniometric table 2 provides rotation of a special unit. X-rays scattered by the system are recorded by X-ray receivers 5. The obtained layered images using a computer processing and control unit 6 are stitched into a 3D visualized model of the deformation state of the material surface. Further, using the mechanical loading unit 4 and linear displacement 9, the microindenter 8 is moved and the process described above is repeated.

Для повышения разрешающей способности расстояние между точечным источником рентгеновского излучения 1 и приемниками рентгеновского излучения 5 устанавливается равным 30 ± 5 мм, а гониометрический столик 2 по середине между ними.To increase the resolution, the distance between the point source of x-ray radiation 1 and the x-ray receivers 5 is set equal to 30 ± 5 mm, and the goniometric table 2 in the middle between them.

Проверка работоспособности и эффективности предлагаемого изобретения проводилась на микротомографе Zeiss Xradia Versa 520. Контроль положения индентора относительно границы исследуемого образца проводился посредством микроскопа zeiss Stemi 305 и дала положительные результаты. The efficiency and effectiveness of the present invention was tested on a Zeiss Xradia Versa 520 microtomograph. The indenter position relative to the boundary of the test sample was monitored using a zeiss Stemi 305 microscope and gave positive results.

Лабораторный экземпляр изготовленного специального узла примерно в 3 раза меньше (по оси томографа) чем штатный узлел крепления образца. Это обеспечивает возможность установления между источником и приемниками рентгеновского излучения расстояния 30±5 мм и дает возможность увеличить изображение на приемниках рентгеновского излучения.The laboratory specimen of the manufactured special unit is approximately 3 times smaller (along the axis of the tomograph) than the standard unit for fixing the sample. This makes it possible to establish a distance of 30 ± 5 mm between the source and the X-ray receivers and makes it possible to enlarge the image on the X-ray receivers.

На представленном примере в качестве индентора использован стеклянный шарик радиусом 300 мк, а в качестве модельного материала использована пластинка акрила.In the presented example, a glass ball with a radius of 300 microns was used as an indenter, and an acrylic plate was used as a model material.

На фиг. 4 представлен пример полученной визуализации упругого состояния образца акрила при внедрения стеклянного индентора. Проекция на плоскость X-Z.In FIG. Figure 4 presents an example of the obtained visualization of the elastic state of an acrylic sample upon incorporation of a glass indenter. Projection on the X-Z plane.

Проведенные исследования показали, что предлагаемое изобретение позволяет визуализировать и изучать упругое взаимодействие индентора с образцом без прекращения контакта. Установление расстояния между источником и приемниками рентгеновского излучения равным 30 ± 5 мм, и расположение гониометрического столика с введенным специальным узлом располагается по середине между источником и приемниками рентгеновского излучения повышает разрешающую способность.Studies have shown that the invention allows to visualize and study the elastic interaction of the indenter with the sample without stopping contact. Establishing the distance between the source and the X-ray receivers equal to 30 ± 5 mm, and the arrangement of the goniometric table with the introduced special unit is located in the middle between the source and the X-ray receivers increases the resolution.

Это экспериментально доказывает достижение технического результата.This experimentally proves the achievement of a technical result.

Claims (1)

Устройство 3D визуализации деформационного состояния поверхности материала в области упругих деформаций, содержащее точечный источник рентгеновского излучения, вращающийся гониометрический столик с блоком крепления образца и механический блок силового нагружения исследуемого материала, приемники рентгеновского излучения, а также компьютерный блок обработки и управления, отличающееся тем, что в устройство введен специальный узел, содержащий расположенные соосно отрезок цилиндрической трубки из материала, прозрачного для рентгеновских лучей, микроиндентор и устройство линейного перемещения микроиндентора, при этом механический блок силового нагружения, выполненный в виде микрометрического винта с делениями, совместно с устройством линейного перемещения жестко укреплены на верхнем торце введенной цилиндрической трубки вне её, а нижний конец трубки соединен винтовым соединением с посадочным местом для крепления введенного специального узла на гониометрическом столике, кроме того, на верхней плоскости посадочного места внутри цилиндрической трубки находится блок крепления исследуемого образца, одновременно для повышения разрешающей способности расстояние между источником и приемниками рентгеновского излучения выбирается равным 30 ± 5 мм, а гониометрический столик со специальным узлом располагается посередине между источником и приемниками рентгеновского излучения. A device for 3D visualization of the deformation state of a material surface in the field of elastic deformations, containing a point source of x-ray radiation, a rotating goniometric table with a sample attachment block and a mechanical block of power loading of the material under study, x-ray radiation receivers, as well as a computer processing and control unit, characterized in that the device introduced a special unit containing coaxially located piece of a cylindrical tube made of a material transparent to x-ray rays, a microindenter and a linear displacement device of a microindenter, the mechanical power loading unit made in the form of a micrometer screw with divisions, together with a linear displacement device, are rigidly mounted on the upper end of the inserted cylindrical tube outside it, and the lower end of the tube is connected by a screw connection to the landing a place for mounting the introduced special unit on a goniometric table, in addition, on the upper plane of the seat inside the cylindrical tube the mounting block of the test sample, at the same time to increase the resolution, the distance between the source and the X-ray receivers is chosen equal to 30 ± 5 mm, and the goniometric table with a special unit is located in the middle between the source and the X-ray receivers.
RU2019126330A 2019-08-21 2019-08-21 Device 3d visualization of deformation state of material surface in area of elastic deformations RU2714515C1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019126330A RU2714515C1 (en) 2019-08-21 2019-08-21 Device 3d visualization of deformation state of material surface in area of elastic deformations
PCT/RU2020/000431 WO2021034219A2 (en) 2019-08-21 2020-08-13 Device for 3d imaging of the deformation state of the surface of a material in the elastic region

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019126330A RU2714515C1 (en) 2019-08-21 2019-08-21 Device 3d visualization of deformation state of material surface in area of elastic deformations

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2714515C1 true RU2714515C1 (en) 2020-02-18

Family

ID=69625775

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019126330A RU2714515C1 (en) 2019-08-21 2019-08-21 Device 3d visualization of deformation state of material surface in area of elastic deformations

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2714515C1 (en)
WO (1) WO2021034219A2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2771063C1 (en) * 2021-06-07 2022-04-25 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) Method for measuring the contact area of the indenter with the sample surface
RU2796200C1 (en) * 2022-12-14 2023-05-17 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) Device for instrumental indentation with the possibility of experimental observation of the area of contact between the indenter and the sample surface in real time

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1365231A2 (en) * 2002-05-21 2003-11-26 Oxford Diffraction Limited X-ray diffraction apparatus
RU2366934C1 (en) * 2008-03-18 2009-09-10 Открытое Акционерное Общество "Корпорация Всмпо-Ависма" Method for determination of crystallographic texture of axisymmetric billets
RU2667316C1 (en) * 2017-10-25 2018-09-18 Российская Федерация в лице Министерства промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) Method for determination of stress intensity factors for cracks
RU2674584C1 (en) * 2017-12-15 2018-12-11 Федеральное государственное учреждение "Федеральный научно-исследовательский центр "Кристаллография и фотоника" Российской академии наук" Installation for topo-tomographic studies of samples

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009055705A2 (en) * 2007-10-25 2009-04-30 Washington University In St. Louis Confocal photoacoustic microscopy with optical lateral resolution
US20110004447A1 (en) * 2009-07-01 2011-01-06 Schlumberger Technology Corporation Method to build 3D digital models of porous media using transmitted laser scanning confocal mircoscopy and multi-point statistics
US9201026B2 (en) * 2012-03-29 2015-12-01 Ingrain, Inc. Method and system for estimating properties of porous media such as fine pore or tight rocks

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1365231A2 (en) * 2002-05-21 2003-11-26 Oxford Diffraction Limited X-ray diffraction apparatus
RU2366934C1 (en) * 2008-03-18 2009-09-10 Открытое Акционерное Общество "Корпорация Всмпо-Ависма" Method for determination of crystallographic texture of axisymmetric billets
RU2667316C1 (en) * 2017-10-25 2018-09-18 Российская Федерация в лице Министерства промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) Method for determination of stress intensity factors for cracks
RU2674584C1 (en) * 2017-12-15 2018-12-11 Федеральное государственное учреждение "Федеральный научно-исследовательский центр "Кристаллография и фотоника" Российской академии наук" Installation for topo-tomographic studies of samples

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2771063C1 (en) * 2021-06-07 2022-04-25 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) Method for measuring the contact area of the indenter with the sample surface
RU2796200C1 (en) * 2022-12-14 2023-05-17 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) Device for instrumental indentation with the possibility of experimental observation of the area of contact between the indenter and the sample surface in real time
RU2818994C1 (en) * 2024-01-29 2024-05-08 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Method for complex assessment of material inhomogeneity

Also Published As

Publication number Publication date
WO2021034219A2 (en) 2021-02-25
WO2021034219A3 (en) 2021-04-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kane et al. Characterization of solid surfaces
Altamura et al. X-ray microimaging laboratory (XMI-LAB)
Schurch et al. Imaging and analysis techniques for electrical trees using X-ray computed tomography
Germaneau et al. Comparison between X-ray micro-computed tomography and optical scanning tomography for full 3D strain measurement by digital volume correlation
Germaneau et al. 3D strain field measurement by correlation of volume images using scattered light: recording of images and choice of marks
JP2002533718A (en) Nano tomography (tomography apparatus and method)
Dettmer et al. Local characterization of hindered Brownian motion by using digital video microscopy and 3D particle tracking
Exner Stereology and 3D microscopy: useful alternatives or competitors in the quantitative analysis of microstructures?
RU2714515C1 (en) Device 3d visualization of deformation state of material surface in area of elastic deformations
Müller et al. Micro-diagnostics: X-ray and synchrotron techniques
Umbach et al. 3D structural analysis of construction materials using high-resolution computed tomography
Harbich et al. X-ray refraction characterization of non-metallic materials
Skjønsfjell et al. Retrieving the spatially resolved preferred orientation of embedded anisotropic particles by small-angle X-ray scattering tomography
Lambrick et al. Observation of diffuse scattering in scanning helium microscopy
Kim et al. Fast acquisition protocol for X-ray scattering tensor tomography
Uhry et al. Optimisation of the process of X-ray tomography applied to the detection of defects in composites materials
RU2796200C1 (en) Device for instrumental indentation with the possibility of experimental observation of the area of contact between the indenter and the sample surface in real time
Wang et al. Geometric phase analysis for characterization of 3D morphology of carbon fiber reinforced composites
Cordes et al. 3D X-ray Microscopy of Nuclear Energy Materials
Wang et al. Metrology of 3D IC with X-ray Microscopy and nano-scale X-ray CT
Agrawal et al. Application of X-ray CT for non-destructive characterization of graphite fuel-tube
Zhang et al. Research on micro-CL geometric errors
Sardhara et al. Towards an accurate 3D reconstruction of nano-porous structures using fib tomography and monte carlo simulations with machine learning
RU2771063C1 (en) Method for measuring the contact area of the indenter with the sample surface
Hildebrand et al. Three-dimensional X-ray phase imaging of impact damaged carbon-fiber-reinforced polymers by using a pinhole array