CZ25408U1 - Systém instrumentovaného měření parametrů vtlačování indentoru - Google Patents

Description

Systém instrumentovaného měření parametrů vtlačování indentoru

Oblast techniky

Technické řešení se týká systému instrumentovaného měření parametrů vtlačování indentoru, obsahujícího zatěžovací mechanizmus zkušebního vzorku a měřicí zařízení opatřené snímačem posuvu a snímačem zatížení.

Dosavadní stav techniky

Klasické metody měření mechanických vlastností materiálů jsou časově náročně a drahé, vyžadují výrobu speciálních zkušebních vzorků. Nej rozšířenější mechanické zkoušky jsou zkouška tahem, zkouška rázem v ohybu a zkoušky tvrdosti. Obvyklým výstupem z těchto zkoušek jsou grafické závislosti mezi napětím a deformací zkoušeného materiálu. Existují nedestruktivní metody a zařízení pro provedení rychlého hodnocení vlastností materiálu s postačující přesností, které zahrnují metody automatizovaného vtlačování indentoru. Tyto metody se používají při vývoji nových materiálů a zařízení, hodnocení a včasný odhad možných odchylek jejich vlastností během provozu. Základními vlastnostmi, které jsou zjišťovány, jsou tvrdost, modul pružnosti, mez kluzu, mez pevnosti, a také energie elastické a plastické deformace, exponent zpevnění a velikost zrna.

Měření tvrdosti je založené na procesu indentace, kde indentor vniká do povrchu zkoumaného vzorku a číslo tvrdosti se následně určuje podle geometrických parametrů indentace, v závislosti na použitém zatížení. Základními geometrickými parametry jsou průměr vtisku - podle Brinella, diagonála - podle Vickerse, nebo hloubka vtisku - podle Rockwella. Techniky, které stanoví korelaci mezi číslem tvrdostí a základními mechanickými vlastnostmi, jsou dobře známé v inženýrské praxi a byly standardizovány, např. GOST 18835-73, GOST 22762-77. Teoretické a experimentální studie ukazují, že indentační zkouška poskytuje nejvíce objektivní výsledky stanovených mechanických vlastností materiálů a povlaků, použitím nejen jedné hodnoty tvrdosti při daném zatížení, ale průběžným zaznamenáváním parametrů procesu zatížení a odlehčení, tzv. křivka zatížení-hloubka [Anisimov Evgeniy, Puchnin Maxim: Reduction of Elastic modulus of Titanium Alloy TÍ-6A1-4V by Quenching, in Book of Abstracts, Local Mechanical Properties, 2012, Slovák Republic, ISBN 978-80-553-1163-0, Puchnin Maxim, Anisimov Evgeniy: The Method of Accounting of Elastic Deformation Occur During the Automated Balí Iindentation Test, in Conferrence Proceedings, COMAT, 2012, Czech Republic, ISBN 978-80-87294-34-5]. Tato metoda je nazývána instrumentovanou zkouškou materiálů vtlačováním indentoru. Křivka zatížení-hloubka potom popisuje charakteristické chování materiálu pod vlivem elastické, elasticko-plastické a plastické deformace [ASTM WK381, US 6 718 820 (Kwon) 13.04.2004].

Měřicí zařízení, používané pro zkoušení vtlačováním indentoru, obsahuje snímač zatížení, snímač posuvu [PCT/KR02/01351 (Lee) 18.07.2002, PCT/IB2005/002275 (Beghini) 01.08.2005, US 2009/0107221 Al (Ernst) 30.04.2009]. Existují různé metody zatížení indentoru, jako hydraulické [US 4 059 990 (Glover) 29.11.1977], pneumatické [US 4 182 164 (Fohey) 08.01.1980, US 2 839 917 (Webster) 24.06.1958, US 4 534 212 (Targosz) 13.08.1985], elektromechanické [US 4 611 487 (Krenn) 16.09.1986, US 6 718 820 (Kwon) 13.04.2004, PCT/IB2005/002275 (Beghini) 01.08.2005, US 7 066 013 B2 (Wu) 27.06.2006, US 2011/0132078 Al (Wu) 09.06.2011] s použitím elektrických motorů se zubovou převodovkou [US 4 635 471 (Rogers) 13.01.1987] nebo s řemenovým převodem [US 5 616 857 (Merck) 01.04.1997], elektromagneticky anebo piezoelektrickými prvky [US 4 304 123 (Ashinger) 08.12.1981, US 6 026 677 (Bonin) 22.02.2000], mechanické s použitím závaží [US 3 367 174 (Affri) 06.02.1968, US 4 103 538 (Stóferle) 01.08.1978], klikových a pákových mechanizmů [US 4 435 976 (Edward) 13.03.1984, US 4 535 623 (Gilberto) 20.08.1985, US 4 182 164 (Fohey) 08.01.1980, US 2009/0107221 Al (Ernst) 30.04.2009, EP 2 345 884 A2 (Sawa) 06.01.2011]. Hydraulické [US 4 059 990 (Glover) 29.11.1977] a pružinové [US 4 312 220 (Borgersen) 26.01.1982] měřiče zatížení, piezoelektrické prvky [US 6 026 677 (Bonin) 22.02.2000], kapacitní [US 7 066 013 B2 (Wu) 27.06.2006, US 2011/0132078 Al (Wu) 09.06.2011] a tenzometrické snímače [US 3 934 463 (Vandeijagt)

-1 CZ 25408 Ul

27.01.1976, US 4 304 123 (Ashinger) 08.12.1981, US 4 611 487 (Krenn) 16.09.1986, US 6 718 820 (Kwon) 13.04.2004, US 2011/0132078 AI (Wu) 09.06.2011] jsou používány pro měření hodnoty zatížení. Metody založené na laserové optice [US 5 616 857 (Merck) 01.04.1997, US 6 026 677 (Bonin) 22.02.2000, PCT/KR02/01351 (Lee) 18.07.2002, PCT/IB2005/002275 (Beghini) 01.08.2005, US 6 755 075 B2 (Nagashima) 29.01.2004] a elektro-optické mechanice [US 4 312 220 (Borgersen) 26.01.1982], kapacitní [US 7 066 013 B2 (Wu) 27.06.2006, US 2011/0132078 AI (Wu) 09.06.2011], potenciometrické [EP 2 390 649 AI (Sakuma) 18.01,2010] elektromagnetické [US 4 159 640 (Lévéque) 3.07.1979, US 4 182 164 (Fohey) 08.01.1980, US 4 435 976 (Edward) 13.03.1984, US 4 534 212 (Targosz) 13.08.1985, US 6 718 820 (Kwon) 13.04.2004, US 4 034 603 (Leeb) 12.07.1977], piezoelektrické [US 6 026 677 (Bonin) 22.02.2000] a tenzometrické snímače [Degtyarev V.I., Lagveshkin V.Ya. Perenosnaya tenzometricheskaya golovka dlya opredeleniya mehanicheskih svoystv metallov vdavlivaniem, Izmeritelnaya tehnika, 1982, nomer 5, SSSR, ISSN 0368-1025] jsou často využívané pro záznam hloubky vnikání, neboli aktuálního lineárního posuvu indentoru během indentační zkoušky, neboli aktuálního lineárního posuvu indentoru během indentační zkoušky.

Přesnost měření celkového lineárního posuvu indentoru závisí na citlivosti snímače indentační hloubky, jež má svoje rozlišení a umožňuje záznam určitého konečného počtu hodnot při daném posuvu. Problematika přesnosti záznamu malých posuvů indentoru se řeší obvykle pomocí laserové optiky nebo elektromagnetických systémů. Přesnost měření závisí nejen na diskrétnosti zaznamenávané hodnoty, ale také na vzdálenosti snímače od indentoru. Větší počet prvků mezi snímačem a indentorem zvětšuje chybu měření, protože samotné měření je potom ovlivněno napěťově-deformačními stavy těchto prvků v závislosti na zatěžovacích podmínkách, počtu cyklů a na atmosférických parametrech, zejména tlaku a teplotě. Snímač posuvu je často součástí zatěžovacího mechanismu a během indentace se tak komplikuje proces korektní interpretace výsledků [US 2 839 917 (Webster) 24.06.1958, US 4 159 640 (Lévéque) 3.07.1979, US 4 435 976 (Edward) 13.03.1984, US 3 367 174 (Affri) 06. 02. 1968, US 4 245 496 (Napetschnig) 20.01.1981, US 4 312 220 (Borgersen) 26.01.1982, US 4 534 212 (Targosz) 13.08.1985, US 6 755 075 B2 (Nagashima) 29.01.2004, US 7 066 013 B2 (Wu) 27.06.2006]. Existující zařízení, která realizují instrumentovanou indentační metodu s vysokou přesností a opakovatelností procesu měření, mají větší rozměry [US 5 616 857 (Merck) 01.04.1997, US 2011/0132078 AI (Wu) 09.06.2011], jsou často omezené rozsahem používaného zatížení [US 4 159 640 (Lévéque) 3.07.1979, US 4 304 123 (Ashinger) 08.12.1981, US 4 611 487 (Krenn) 16.09.1986, US 6 026 677 (Bonin) 22.02.2000, PCT/KR02/01351 (Lee) 18.07.2002, US 6 718 820 (Kwon) 13. 04. 2004, US 2009/0107221 AI (Ernst) 30.04.2009] anebo rozměrem indentoru [US 4 534 212 (Targosz) 13.08.1985, US 4 535 623 (Gilberta) 20.08.1985, PCT/KR02/01351 (Lee) 18.07.2002, US 6 755 075 B2 (Nagashima) 29.01.2004], měří celkový lineární posuv indentoru. Jsou také známy potíže s identifikací parametrů iniciace porušení ze závislostí zatížení-hloubka a napětídeformace při měření vlastností povlaků [PCT/US00/09940 (White) 13. 04. 1999, N.H. Faisal, J.A. Steel The Use of Acoustic Emission to Characterize Fracture Behavior During Vickers Indentation of HVOF Thermally Sprayed WC-Co Coatings, Journal of Thermal Spray Technology, Vol. 18(4), p. 525-535, (2009), Markus G. R. Sause, Daniel SchultheiB. Acoustic emission investigation of coating fracture and delamination in hybrid carbon fiber reinforced plastic structures, Journal of Acoustic Emission, 26, p. 1-13, (2008)], které se řeší pomocí snímačů akustické emise[US 4 856 326 (Tsukomoto) 15.08.1989],

Ashinger [US 4 304 123 (Ashinger) 08.12.1981] popisuje možnost využití tenzometrických snímačů, které jsou připojeny k průžnému ramenu, pro registraci nízkých hodnot zatížení a posuvů indentoru. Měření vyšších hodnot parametru indentace popisuje [Degtyarev V.I., Lagveshkin V.Ya. Perenosnaya tenzometricheskaya golovka dlya opredeleniya mehanicheskih svoystv metallov vdavlivaniem, Izmeritelnaya tehnika, 1982, nomer 5, SSSR, ISSN 0368-1025], Napetschnig [US 4 245 496 (Napetschnig) 20.01.1981] navrhuje vertikální umístění průžného ramena. V zařízení Fohey [US 4 182 164 (Fohey) 08.01.1980] je realizován krátký měřicí obvod měření posuvu, kde je zatěžován pouze držák indentoru a indentor, což je nejnižší nalezený počet prvků mezi snímačem a indentorem, které se deformují. Borgersen [US 4 312 220 (Borgersen) 26.01.1982] realizuje pákovým mechanizmem odečet parametru zatížení.

-2CZ 25408 Ul

Podstata technického řešení

Výše uvedené nedostatky jsou do značné míry odstraněny systémem instrumentovaného měření parametrů vtlačování indentoru, obsahujícím zatěžovací mechanizmus zkušebního vzorku a měřicí zařízení opatřené snímačem posuvu a snímačem zatížení, podle tohoto technického řešení. Jeho podstatou je to, že měřicí zařízení obsahuje pouzdro ve kterém je umístěn adaptér s pružinou a snímač posuvu, opatřený tenzometrickým snímačem a deformačním páskem a snímač zatížení opatřený deformačními páskami a tyči, procházející od indentoru umístěného v držáku k snímači posuvu a snímač zatížení je tvořen vyměnitelným dynamometrem, který je opatřen deformačními páskami s tenzometrickými snímači pro měření malých hodnot, přičemž tenzometrické snímače jsou propojeny se zesilovačem analogového signálu a počítačem.

Zatěžovací mechanizmus může být tvořen tvrdoměrem podle Brinella, Vickerse, Rockwella, univerzálním trhacím strojem, pákovým mechanizmem se svým vlastním zdrojem zatížení nebo piezoelektrickým elementem.

Snímač posuvu může být tvořen vyměnitelnou kapslí, která obsahuje pákový násobič lineárního posuvu indentoru s kulovou miskou pro uložení tyče, přičemž k deformačním páskům jsou připojeny tenzometrické snímače pro generování signál (mV) v závislosti na jejich elastické deformaci, jejich registrování v zesilovači analogového signálu a ukládání do počítače.

Měřicí systém je založen na automatickém vtlačování indentoru při zatížení, který má spolehlivý, snadno vyrobitelný a provozovatelný adaptér pro měření hlavních parametrů indentace, jako zatížení (P) a hloubka (h). Měřicí zařízení, díky svému designu, nezatěžuje snímač posuvu, určený pro záznam indentační hloubky (h) při vtlačování indentoru a umožňuje záznam parametrů indentace (mV) s větší přesností, ve srovnání se zařízeními, které mají delší měřicí obvod. Měřicí zařízení je kompaktní a může být použité spolu s různými měřicími systémy, jako trhací stroj a tvrdoměr, čímž rozšiřuje jejich možnosti a optimalizuje proces indentace. Určení mechanických vlastností se provádí na základě parametrů indentace. K dispozici je možnost používání různých indentorů, jako např. Brinell, Vickers, Knoop, Berkovich, Rockwell. Grafická závislost zatíženíhloubka ukazuje na deformační chování materiálu během cyklu zatížení.

Snímač zatížení je vyměnitelný dynamometr, který obsahuje deformační pásky pro měření malých hodnot zatížení. Zvýšením celkového měřeného rozsahu deformace snímačem zatížení pomocí deformačních pásků se zvyšuje úroveň deformace tenzometrických snímačů a tím přesnost detekce nízkých hodnot zatížení, což dovoluje zvýšit frekvenci záznamu registrovaného signálu (mV) pri stejné citlivosti měřicích prvků, tenzometrických snímačů. Pro optimalizaci procesu měření hodnot zatížení během indentace byly vyvinuty snímače zatížení několika typů.

Snímač posuvu je tvořen vyměnitelnou kapslí, která obsahuje pákový násobič lineárního posuvu indentoru během jeho vtlačování do povrchu testovaného vzorku, který zvyšuje úroveň průhybu deformačního pásku. Zvýšením úrovně deformace tenzometrických snímačů, které jsou připojené k deformačnímu pásku, se dosahuje zvýšení frekvence záznamu registrovaného signálu (mV) a zvětšuje se přesnost detekce malých posuvů při stejné citlivosti měřicích prvků, tenzometrických snímačů. Pro optimalizaci procesu měření hodnot posuvu během indentace byly vyvinuty snímače posuvu několika typů.

Měřicí systém umožňuje nepřetržité měření elektrických signálů (mV), které odpovídá změnám měřených parametrů hloubky vtisku (h) a aplikovaného zatížení (P) během indentace, kde podle závislostí zatížení-hloubka a napětí-deformace získaných z registrovaných signálů, je vyhodnoceno číslo tvrdosti a další mechanické vlastnosti jako modul pružnosti, mez kluzu, mez pevnosti, a také energie elastické a plastické deformace, exponent zpevnění, velikost zrna.

Objasnění obrázků na výkresech

Technické řešení bude podrobněji popsáno na konkrétním příkladu provedení s pomocí přiložených výkresů. Na Obr. 1 je znázorněn v nárysu příkladný instrumentovaný měřicí systém. Na Obr. 2 je znázorněno příkladné měřicí zařízení. Na Obr. 3 je dynamometr košíkového typu.

-3CZ 25408 Ul

Obr. 4(a) ilustruje variantu zatížení měřicího zařízení pomocí tvrdoměru. Obr. 4(b) ilustruje variantu zatížení měřicího zařízení pomocí trhacího stroje. Obr. 4(c) ilustruje variantu zatížení měřicího zařízení pomocí piezoelektrického prvku. Obr. 4(d) ilustruje variantu zatížení měřicího zařízení pomocí zatěžovacího mechanismu s pákovým přenosem. Obr. 5 ilustruje typickou indentační křivku zatížení-hloubka, která obsahuje hodnoty zatížení (N) a hloubky (mm).

Příklady uskutečnění technického řešení

Cíle a výhody předkládaného technického řešení jsou detailně popsány v následujícím textu a doplněny o obrazovou dokumentaci.

Instrumentovaný měřicí systém obsahuje počítač 1, zesilovač 2 analogového signálu, zkušební vzorek 3, měřicí zařízení 4 a zatěžovací mechanizmus 5. Měřicí zařízení obsahuje pouzdro 6, adaptér 7, pružinu 8, kapsle 9, tenzometrické snímače 10, deformační pásek 11, páku 12, dynamometr 13, deformační pásek 14, tyč 16, držák 17 indentoru, indentor 18, víko 19 pouzdra, zkušební vzorek 21.

Na Obr. 3 je dynamometr 13 košíkového typu pro měření použitého zatížení, který obsahuje deformační pásky 14, válec 15 a tenzometrické snímače 10.

Na Obr. 4(a)-(d) jsou znázorněny různé varianty zatížení měřicího zařízení 4 pomocí tvrdoměru 26, trhacího stroje 27, piezoelektrického prvku 28 a pomocí zatěžovacího mechanismu 30 s pákovým přenosem 29.

Na Obr. 5 je znázorněna typická indentační křivka zatížení-hloubka, která obsahuje hodnoty zatížení (N) a hloubky (mm).

Jak znázorňuje Obr. 1, měřicí systém je určen k provedení indentační zkoušky a obsahuje zkušební vzorek 3, testovaný pomocí měřicího zařízení 4, které generuje signály během procesu indentace při zatížení vytvořeném zatěžujícím mechanizmem 5, registrované zesilovačem 2 analogového signálu a ukládány do počítače 1.

Jak dokumentuje Obr. 2, při přiložení zatížení k adaptéru 7 zatěžujícím mechanizmem 5 se adaptér 7 začíná pohybovat v pouzdru 6 měřicího zařízení 4. Pouzdro 6 je přitlačováno ke zkoumanému vzorku 21 pomocí víka 19 s pružinou 8. Zatížení je dále přenášeno z adaptéru 7 na dynamometr 13, který přes držák 17 indentoru vtlačuje indentor 18 do povrchu testovaného vzorku 21. Tyč 16 se pohybuje spolu s indentorem 18 a způsobuje snížení průhybu deformačního pásku 11 pomocí páky 12 násobiče. V počáteční pozici, kdy indentor 18 leží na povrchu vzorku 21, je tyč 16 přitlačena k indentoru 18 pomocí deformačního pásku 11 přes páku 12 násobiče. Páka 12 má ve své spodní části kulovou misku 22 sloužící k vycentrování tyče 16. Tyč 16 je opatřena vodicím lemem, který omezuje její axiální pohyb, čímž chrání obsah kapsle 9 a zabraňuje vypadnutí tyče 16 během výměny indentoru 18.

Na začátku indentačního procesu, v oblasti nízkých hodnot zatížení se deformační pásky 14 dynamometru 13 deformují elasticky jako první. Deformační pásky 14 dynamometru 13 košíkového typu zvyšují diskrétnost signálu generovaného tenzometrickými snímači 10, čímž se dosahuje větší přesnost měření malých zatížení. Signál generovaný tenzometrickými snímači 10 se zaznamenává zesilovačem 2 analogového signálu a ukládá se do počítače 1. Otvor v horní části dynamometru 13 slouží k polohování kapsle 9 a poskytuje potřebný prostor pro pohyb částí měřicího zařízení 4 během procesu indentace.

Kapsle 9 snímače posuvu je určená nejen pro měření posuvu indentoru 18 a zabránění mechanickému poškození svého obsahu, ale také zachycuje dynamometr 13 i po odtížení měřicího zařízení 4 a během výměny indentoru 18. Kapsle 9 je samostatným prvkem měřicího zařízení 4, zabezpečuje snadný přístup ke svému obsahu, opravu nebo výměnu v případě poškození. Signál tenzometrických snímačů W připojených k deformační pásce jT pákového typu je generován průhybem deformační pásky H působícím zatížením a je průběžně registrován zesilovačem 2 analogového signálu a ukládán do počítače 1. Deformační páska 11 přitlačovaná pákou 12 k horní části kapsle 9 pomocí tyče 16 slouží ke zvětšení diskrétnosti signálu generovaného tenzometrickými

-4CZ 25408 Ul snímači 10, které jsou připojené k deformační pásce H. Kulová miska 22 na spodní straně páky 12 slouží k vycentrování tyče 16· Pomocí navrženého pákového systému kapsle 9 se zvětšuje přesnost měření malých posuvů indentoru 18 během probíhající zkoušky.

Měřicí systém je používán společně se zatěžovacím mechanizmem 5, který je připojen k měřicímu zařízení 4 pomocí adaptéru 7. Na Obr. 4(a) je znázorněná varianta použití tvrdoměru 26 jako zatěžovacího mechanizmu 5. Na Obr. 4(b) je znázorněná varianta použití trhacího stroje 27 jako zatěžovacího mechanizmu 5. Na Obr. 4(c) je znázorněná varianta použití piezoelektrického prvku 28 jako zatěžovacího mechanizmu 5. Na Obr. 4(d) je znázorněná varianta zatěžovacího mechanizmu 5 s pákovým přenosem 29. Jako vlastní mechanizmus 30 zatížení může být použito např. elektromotoru.

Průmyslová využitelnost

Měřicí systém pro nedestruktivní zkoušky vtlačováním indentoru podle tohoto technického řešení nalezne uplatnění ve zkušebnách, laboratořích a podobně.

Claims (2)

1. Měřicí systém pro nedestruktivní zkoušky vtlačováním indentoru, obsahující zatěžovací mechanizmus (5) zkušebního vzorku (3) a měřicí zařízení (4) opatřené snímačem (9) posuvu a snímačem (13) zatížení, vyznačující se tím, že měřicí zařízení (4) obsahuje pouzdro (6) ve kterém je umístěn adaptér (7) s pružinou (8) a snímač (9) posuvu, opatřený tenzometrickým snímačem (10) a deformačním páskem (11) a snímač (13) zatížení opatřený deformačními páskami (14), a tyči (16), procházející od indentoru (18) umístěného v držáku (17) k snímači (9) posuvu a snímač (13) zatížení je tvořen vyměnitelným dynamometrem (13), který je opatřen deformačními páskami (14) s tenzometrickými snímači (10) pro měření malých hodnot, přičemž tenzometrické snímače (10) jsou propojeny se zesilovačem (2) analogového signálu a počítačem (1).

2. Měřicí systém podle nároku 1, vyznačující se tím, že zatěžovací mechanizmus (5) je tvořen tvrdoměrem (26) podle Brinella, Vickerse, Rockwella, univerzálním trhacím strojem (27), pákovým mechanizmem (29) se svým vlastním zdrojem zatížení nebo piezoelektrickým elementem (28).