ES2920755T3 - Aparato de ensayo de rayado y métodos de uso del mismo - Google Patents

Abstract

Proporcionar en una realización es un aparato, que comprende un indentado en el que una punta de la misma está configurada para activar una superficie de muestra, un dispositivo de referencias de superficie configurado para establecer la posición del hormigón en relación con la superficie de la muestra, un mecanismo de accionamiento configurado para mover el sangría a lo largo de la superficie de la muestra para formar un rasguño, y un dispositivo de medición configurado para medir al menos una de (i) una altura de acumulación del material de muestra retirado del rasguño y (ii) un ancho del rasguño. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Aparato de ensayo de rayado y métodos de uso del mismo

Referencia cruzada a solicitudes de patente relacionadas

Esta solicitud reivindica la prioridad de la solicitud provisional estadounidense con número de serie 61/837.724, presentada el 21/6/2013.

Antecedentes

Los ingenieros utilizan el conocimiento de propiedades mecánicas para determinar la resistencia mecánica, durabilidad y seguridad de estructuras de soporte de carga. Los métodos de ensayo no destructivos (NDT) resultan atractivos porque permiten la determinación de estas propiedades sin dañar la estructura en su totalidad durante el ensayo. Se usan de manera amplia en control de calidad de nuevas fabricaciones y diagnósticos de estructuras existentes.

Las técnicas no destructivas industriales actuales se limitan a medir la dureza de un material mediante indentación, lo que proporciona un índice de la resistencia a la penetración de un material por un indentador duro. Aunque el ensayo por indentación se usa ampliamente, proporciona información limitada e indeterminada que a menudo no puede usarse por los ingenieros para predecir con confianza la resistencia mecánica existente o la vida útil restante de estructuras.

El ensayo de rayado se ha usado históricamente de manera similar a la medición de la dureza por indentación. La escala de dureza de Mohs es una medida de la dureza al rayado que se ha usado durante un siglo para evaluar la resistencia de materiales al rayado. Este ensayo proporciona una medida cualitativa de la resistencia mecánica que sólo permite comparaciones entre materiales conocidos. Sin embargo, la implementación de esta metodología con la tecnología existente necesita un equipo sofisticado y operaciones de larga duración para realizar los ensayos y recoger la respuesta al rayado del material.

Actualmente, el ensayo de rayado se usa para medir la resistencia mecánica de películas delgadas y recubrimientos. Esto se realiza usando una punta dura para rayar el material mientras se controla la carga que se está aplicando hasta que se produce el fallo. Este método de ensayo se limita a seleccionar aplicaciones en las que los materiales utilizan películas delgadas o recubrimientos. Esta restricción vuelve inadecuada esta tecnología para evaluar propiedades mecánicas de materiales de ingeniería habituales.

El documento US 2006/0150710A1 da a conocer un dispositivo y método para realizar el ensayo de rayado y/o de imperfección de la superficie de un espécimen de material. En una realización, el dispositivo de ensayo de rayado comprende un elemento de rayado. Además, el dispositivo de ensayo de rayado comprende un carro que puede funcionar para mover el elemento de rayado. Además, el dispositivo de ensayo de rayado comprende un mecanismo de carga, en el que el mecanismo de carga aplica una carga al elemento de rayado. Sin embargo, el dispositivo de ensayo de rayado del documento US 2006/0150710 A1 no es capaz de controlar la profundidad de raya. Se han desarrollado otros dispositivos y sistemas de ensayo de rayado, pero sus aparatos de ensayo subyacentes son o bien demasiado complejos o bien no suficientemente precisos para un uso comercial amplio. Aunque se ha demostrado la base científica para predecir el límite elástico y la ductilidad de metales a través de un ensayo de rayado, los sistemas de ensayo existentes proporcionan sólo soluciones parciales para evaluar propiedades mecánicas.

El uso de ensayo de rayado en aplicaciones industriales se limita debido a varios factores, incluyendo la complejidad de controlar y medir los parámetros numerosos asociados con el ensayo, así como la falta de recursos y un equipo integrado y asequible para realizar el ensayo y analizar los datos. Las técnicas de ensayo previamente existentes implican controlar la carga aplicada durante el rayado y medir después la profundidad de penetración y altura del apilamiento de material en cada lado de la raya o la anchura de raya. Otra técnica previamente existente para determinar la anchura de raya se refiere a la obtención de imágenes de la raya con un microscopio o dispositivo de aumento. Los métodos previamente existentes incluyen muchos procedimientos y técnicas, lo que impide el uso extendido de ensayos de rayado en aplicaciones industriales.

Además, con tecnología previamente existente, la referencia de superficie se consigue realizando una exploración inicial con una punta en una carga de contacto baja para mapear el perfil de superficie. Esta operación puede llevarse a cabo antes o después de que se realice el ensayo de rayado. Dicho de otro modo, los métodos previamente existentes incluyen dos operaciones independientes: la formación de rayas y la referencia de superficie.

Sumario

Al menos en vista de lo anterior, los presentes inventores han desarrollado un aparato y un método que permite a los ingenieros predecir y diagnosticar la integridad y la vida útil restante de estructuras que utilizan un ensayo de rayado.

En el presente documento se divulga un aparato de ensayo configurado para realizar experimentos de rayado para determinar propiedades mecánicas de materiales. Aplicaciones a modo de ejemplo de este aparato incluyen ensayos de campo in situ de grandes estructuras de ingeniería y ensayos de laboratorio de pequeñas muestras, entre otros. Según la invención se proporciona un aparato de ensayo de rayado según la reivindicación 1.

Según la presente invención se proporciona un método de ensayo de rayado según la reivindicación 11.

Debe apreciarse que se contempla que todas las combinaciones de los conceptos anteriores y conceptos adicionales explicados en mayor detalle a continuación (siempre que tales conceptos no sean mutuamente incompatibles) forman parte del contenido inventivo divulgado en el presente documento. En particular, se contempla que todas las combinaciones del contenido reivindicado que aparecen al final de esta divulgación forman parte del contenido inventivo divulgado en el presente documento.

Breve descripción de los dibujos

El experto en la técnica entenderá que los dibujos son principalmente por motivos de ilustración y no se pretende que limiten el alcance del contenido inventivo descrito en el presente documento. Los dibujos no están necesariamente a escala; en algunos casos, diversos aspectos del contenido inventivo divulgado en el presente documento pueden mostrarse exagerados o ampliados en los dibujos para facilitar una comprensión de diferentes características. En los dibujos, caracteres de referencia similares se refieren de manera general a características similares (por ejemplo, elementos funcionalmente similares y/o estructuralmente similares).

La figura 1 es una vista frontal esquemática de un indentador y una raya formada en una muestra de material por el indentador, según una realización a modo de ejemplo.

La figura 2 es una vista lateral esquemática de un aparato de ensayo de rayado, según una realización a modo de ejemplo.

La figura 3 es una vista frontal esquemática de un dispositivo de referencia de superficie para el aparato de ensayo de rayado de la figura 1.

La figura 4 es una vista frontal esquemática del dispositivo de referencia de superficie de la figura 3, que muestra un indicador de carga y un ejemplo de un módulo de fuerza (una sonda de fuerza en este caso particular).

La figura 5 es una vista en perspectiva esquemática de un dispositivo de referencia de superficie a modo de ejemplo para el aparato de ensayo de rayado de la figura 1.

La figura 6 es una vista en perspectiva esquemática de otro dispositivo de referencia de superficie a modo de ejemplo para el aparato de ensayo de rayado de la figura 1.

La figura 7 es una vista en perspectiva esquemática de otro dispositivo de referencia de superficie a modo de ejemplo para el aparato de ensayo de rayado de la figura 1.

La figura 8 es una vista en perspectiva esquemática de otro dispositivo de referencia de superficie a modo de ejemplo para el aparato de ensayo de rayado de la figura 1.

La figura 9 es una vista en perspectiva esquemática de un módulo de transferencia de carga a modo de ejemplo para el aparato de ensayo de rayado de la figura 1.

La figura 10 es una vista en perspectiva esquemática de un módulo de transferencia de carga a modo de ejemplo para el aparato de ensayo de rayado de la figura 1.

La figura 11 es una vista en perspectiva esquemática de un módulo de transferencia de carga a modo de ejemplo para el aparato de ensayo de rayado de la figura 1.

La figura 12A es una vista en perspectiva esquemática de un mecanismo de accionamiento a modo de ejemplo para el aparato de ensayo de rayado de la figura 1.

La figura 12B es una vista lateral esquemática del mecanismo de accionamiento de la figura 12A.

La figura 13A es una vista en perspectiva esquemática de un mecanismo de accionamiento a modo de ejemplo para el aparato de ensayo de rayado de la figura 1.

La figura 13B es una vista lateral esquemática del mecanismo de accionamiento de la figura 13A.

La figura 14 es una vista en perspectiva esquemática de un aparato de medición a modo de ejemplo para el aparato de ensayo de rayado de la figura 1.

La figura 15 es una vista en perspectiva esquemática de un aparato de medición a modo de ejemplo para el aparato de ensayo de rayado de la figura 1.

La figura 16 es una vista en sección transversal esquemática de un aparato de monitorización de perfil a modo de ejemplo que monitoriza más de una característica de perfil de raya.

Las figuras 17A-D representan diversas vistas esquemáticas de aparatos de monitorización de perfil a modo de ejemplo configurados para medir características de perfil de raya.

Las figuras 18A-C representan diversas vistas esquemáticas de un aparato de ensayo a modo de ejemplo capaz de corregir una superficie curvada en la dirección de desplazamiento de la punta de indentador.

Las figuras 19A-C representan diversas vistas esquemáticas de un aparato de ensayo y un aparato de monitorización de perfil integrados a modo de ejemplo.

Las figuras 20A y 20B representan una vista en perspectiva esquemática y una vista lateral de un aparato de preparación de superficie, respectivamente.

Descripción detallada

A continuación siguen descripciones más detalladas de diversos conceptos relacionados con, y realizaciones de, un aparato de ensayo de rayado y un método de ensayo de rayado. Debe apreciarse que diversos conceptos introducidos anteriormente y explicados en mayor detalle a continuación pueden implementarse de cualquiera de numerosas maneras, ya que los conceptos divulgados no se limitan a ninguna manera particular de implementación. Ejemplos de implementaciones y aplicaciones específicas se proporcionan principalmente por motivos ilustrativos.

En una realización se proporciona un aparato de ensayo de rayado configurado para la formación simultánea de una raya en una muestra de material con un indentador y la medición de una profundidad de raya, anchura de raya o altura de apilamiento de material de muestra desplazado de la raya. El aparato puede incluir un mecanismo de referencia de superficie que permite la determinación de la ubicación de una punta de indentador con respecto a la superficie de la muestra de material.

Se ha demostrado recientemente que el ensayo de deslizamiento con fricción con instrumentación, o el ensayo de rayado, permite a los usuarios cuantificar de manera precisa la resistencia mecánica y la ductilidad de metales y otros materiales incluyendo polímeros. Durante un experimento de rayado, se presiona una punta dura en un material más blando y después surca una raya a lo largo de su superficie. El surcado de material durante la formación de raya induce un flujo continuo de deformación permanente en el material más blando. Aunque son posibles una variedad de formas de punta, normalmente una punta cónica forma una raya en la superficie del material que tiene una sección transversal triangular con una profundidad y una altura identificables. El material desplazado de la raya se apila en ambos lados de la raya sobre la superficie de muestra, y los apilamientos tienen una altura identificable con respecto a la superficie del material. Las dimensiones de la raya (por ejemplo, anchura, profundidad con respecto a la superficie del material) y los apilamientos de material desplazado (por ejemplo, altura con respecto a la superficie del material), junto con la fuerza de reacción normal entre la punta y la muestra de ensayo, se usan como entradas en algoritmos inversos que emiten el esfuerzo en función de la curva de deformación para el material.

Un aparato proporcionado en el presente documento está configurado para determinar propiedades mecánicas de una muestra de material realizando un ensayo de rayado. En al menos una realización, el aparato también puede denominarse aparato de ensayo, particularmente cuando el aparato está configurado para realizar un ensayo mecánico para evaluar propiedades mecánicas de un material de muestra. Haciendo referencia a la figura 1, se fuerza un indentador 20 en una muestra 10 de material moviéndolo en una dirección normal a la superficie 16 de la muestra 10 de material y formando una raya 12 en la muestra 10 de material moviendo el indentador 20 a lo largo de la superficie 16 de la muestra 10 de material. A medida que se forma la raya 12 en la muestra 10 de material, el material desplazado forma apilamientos 14 en ambos lados de la raya 12 en la superficie de la muestra 10 de material. La cantidad de material desplazado por el indentador 20 puede depender de la geometría del indentador (por ejemplo, el ángulo 22 de indentador), la fuerza normal aplicada al indentador 20, y las propiedades físicas de la muestra 10 de material. Las propiedades físicas de la muestra 10 de material pueden determinarse analizando la raya 12, tal como midiendo la anchura 24 de raya, la profundidad 26 de raya y la altura 28 de apilamiento de la raya.

Según una realización a modo de ejemplo, el indentador 20 incluye una punta 54 de indentador que tiene una geometría cónica en un ángulo 22 incluido total de entre aproximadamente 120° y aproximadamente 160°, que corresponde a de aproximadamente 10° a aproximadamente 30° de elevación de superficie de cono con respecto a la superficie 16 de muestra. El ángulo de la punta 54 de indentador puede tener un efecto en la respuesta del material durante el ensayo, y se selecciona basándose en las condiciones de contacto, tal como fricción. La punta 54 de indentador puede tener otros tipos de geometrías (no mostradas en la figura). Por ejemplo, la punta puede ser piramidal, esférica o cualquier otra geometría adecuada. Por ejemplo, la punta puede tener cualquier sección transversal de parte inferior adecuada, tal como una sección transversal triangular. En un ejemplo, el indentador 20, o la punta 54 del mismo, puede ser cualquier indentador (o punta) comercialmente disponible, incluyendo indentadores Vickers, Rockwell, etc. El término “ indentador” en el presente documento no tiene que ser necesariamente un material usado para realizar indentación y en cambio puede referirse a cualquier material que tiene un valor de dureza más alto que la muestra de material (a la que se aplica el indentador para penetrar con el fin de producir e indentación o raya). El indentador 20 puede estar formado de cualquier material con una dureza suficiente para penetrar la muestra 10 de material y formar la raya 12 en la muestra 10 de material, incluyendo, pero sin limitarse a, silicio, óxido de titanio, zafiro, diamante y acero con un recubrimiento o tratamiento de superficie adecuado.

El aparato de ensayo en una realización está configurado para formar una raya en una muestra de material con una carga normal conocida o una profundidad de raya conocida. Cuando el aparato se establece en un modo que implica una profundidad de raya predeterminada, el aparato de ensayo puede controlar la profundidad y orientación del indentador independientemente de los contornos de superficie de la muestra de material. Por ejemplo, el aparato de ensayo puede mantener el indentador a una profundidad predeterminada debajo de la superficie del material. El aparato de ensayo puede estar configurado para medir de manera continua parámetros experimentales durante el ensayo de rayado. En una realización, el aparato proporcionado en el presente documento simplifica y facilita el procedimiento de ensayo en comparación con el aparato de ensayo de rayado previamente existente. El aparato de ensayo puede determinar un conjunto completo de propiedades mecánicas de una muestra de material sin dañar la estructura del material en su conjunto. Además, el sistema de aparato de ensayo permite la medición de cambios en propiedades mecánicas de material (locales) a lo largo de la longitud de una raya. Por tanto, el aparato de ensayo puede utilizarse para la caracterización de propiedades de material en la fabricación a pequeña escala avanzada, así como en industrias tradicionales que implican estructuras soldadas, estructuras dañadas, aplicaciones de desgaste y otras ubicaciones que son propensas al fallo.

Por tanto, el aparato de ensayo puede proporcionar una herramienta para someter a prueba de manera precisa las propiedades mecánicas del material en el control de calidad de fabricación, evaluación de condición y aplicaciones de ensayo de diagnóstico. El aparato de ensayo puede proporcionar un sistema configurado para realizar un método de ensayo para evaluar las propiedades mecánicas de los materiales de ingeniería o estructurales, incluyendo una medición de la resistencia mecánica, dureza y ductilidad. El aparato de ensayo proporciona un aparato e instrumentación para simplificar la implementación del método de ensayo. El aparato de ensayo puede estar configurado para ser portátil de modo que puede unirse a estructuras grandes existentes o puede usarse en ensayos de laboratorio a pequeña escala.

Haciendo referencia ahora a las figuras 2-11, se muestra un aparato 30 de ensayo en detalle según varias realizaciones a modo de ejemplo. Tal como se muestra esquemáticamente en las figuras 2 y 3, el aparato 30 de ensayo incluye una estructura 32 de soporte en la que se monta el indentador 20 y un dispositivo 40 de referencia de superficie acoplado a la estructura 32 de soporte. La estructura 32 de soporte proporciona alineación y soporte para el indentador 20. El indentador 20 se mueve con respecto a la superficie 16 de la muestra 10 de material para formar una raya aplicando una carga normal a la estructura 32 de soporte con un módulo 34 de transferencia de carga y aplicar una carga transversal a la estructura 32 de soporte con un mecanismo 36 de accionamiento. Según una realización a modo de ejemplo, el mecanismo 36 de accionamiento se acopla a la estructura 32 de soporte con un elemento 35 de acoplamiento, mostrado como un enlace mecánico. El aparato 30 de ensayo puede acoplarse a la muestra 10 de material con una estructura 38 de montaje. Cuando se forma la raya 12 en la muestra 10 de material (sobre la superficie de la misma tal como se muestra en este caso) mediante el indentador 20, el aparato 30 de ensayo simultáneamente mide la raya con un aparato 39 de medición acoplado a la estructura 32 de soporte. La formación de rayas y la medición no tienen que producirse simultáneamente. En una realización, estos dos procedimientos pueden tener lugar secuencialmente. En una realización, independientemente de si los dos procedimientos tienen lugar simultánea o secuencialmente, los dos procedimientos se llevan a cabo por un único aparato. En una realización, los dos procedimientos, secuenciales o simultáneos, pueden llevarse a cabo por un único mecanismo de accionamiento. En otra realización, los dos procedimientos, secuenciales o simultáneos, pueden llevarse a cabo por múltiples mecanismos de accionamiento de un único aparato.

Haciendo referencia a las figuras 3-8, un dispositivo 40 de referencia de superficie y corrección de inclinación se muestra acoplado a la estructura 32 de soporte. El dispositivo 40 de referencia de superficie permite una monitorización y/o un control fiables de la posición del indentador 20 en una dirección normal a la superficie 16 de la muestra 10 de material al mismo tiempo que se realiza la raya 12. Tal como se describe adicionalmente a continuación, el dispositivo 40 de referencia de superficie puede establecer la posición del indentador con respecto a la superficie de muestra. El establecimiento de la posición en una realización puede referirse a la detección de la posición, aunque el establecimiento no tiene que implicar la detección. El aparato 30 de ensayo está configurado para funcionar en un modo de monitorización o un modo de control. En una realización, se designa si un modo es de monitorización o de control con respecto a la fuerza normal en la punta de indentador (o el propio indentador en algunos casos) durante un ensayo de rayado. En el modo de monitorización, el dispositivo 40 de referencia de superficie permite que el aparato 30 de ensayo establezca la profundidad de penetración del indentador 20 a una fuerza normal aplicada predeterminada. En el modo de control, el dispositivo 40 de referencia de superficie permite que el aparato 30 de ensayo forme una raya de una profundidad constante y conocida, y detecte la fuerza de reacción y o bien la altura del apilamiento de material o bien la anchura de la raya. O bien en el modo de monitorización o bien en el modo de control, los datos recopilados por el dispositivo 40 de referencia de superficie pueden utilizarse con algoritmos inversos para predecir la curva de esfuerzo frente a deformación de la muestra 10 de material y establecer un índice cuantitativo para la raya y dureza de indentación, límite elástico, resistencia mecánica al ensayo, comportamiento de endurecimiento por deformación y alargamiento en la rotura de la muestra 10 de material.

Según una realización a modo de ejemplo, el dispositivo 40 de referencia de superficie incluye un primer elemento 60 dispuesto sobre un lado del indentador 20, posicionado lateralmente desde el indentador 20 y un segundo elemento 60 dispuesto en el lado opuesto del indentador 20 desde el primer elemento 60. El primer elemento puede disponerse en una dirección normal a la dirección de las fuerzas aplicadas por el módulo 34 de transferencia de carga y el mecanismo 36 de accionamiento. El perfil de la superficie 16 puede determinarse midiendo la elevación en cada lado de la raya 12 a medida que se está formando por el aparato 30 de ensayo. En algunos casos, el perfil puede determinarse poco después (por ejemplo, inmediatamente después) de que se forme la elevación. El dispositivo 40 de referencia de superficie realiza una operación de referencia de superficie simultáneamente con la formación de la raya 12.

Haciendo referencia a la figura 3, las elevaciones 46 de los elementos 60 de referencia de superficie en cualquier lado del indentador 20 o bien se monitorizan o bien se controlan durante el ensayo. Cuando el aparato 30 de ensayo funciona en el modo de monitorización, la pendiente de muestra se establece estableciendo la elevación de la superficie original (sin deformar) a lo largo de la trayectoria del indentador 20. Estas elevaciones pueden monitorizarse usando cualquier tecnología adecuada, incluyendo unos sensores sin contacto basados en óptica, capacitancia o inductancia, y sondas de desplazamiento tales como resortes de láminas y transductores de desplazamiento variable lineal (LVDT). En una realización, cuando el aparato 30 de ensayo funciona en modo de control, las elevaciones 46 de los elementos de referencia de superficie se mantienen en el mismo valor, lo que permite tanto el control de la pendiente de la trayectoria del indentador 20 como la corrección de inclinación lateral de la pendiente 44 perpendicular a la trayectoria del indentador 20. En aplicaciones de carga alta, el dispositivo 40 de referencia de superficie puede utilizarse para permitir la rotación y autoalineación del aparato 30 de ensayo, minimizando (o incluso eliminando, en algunos casos) la necesidad de un control de bucle cerrado de medición y corrección de posición. Las aplicaciones de carga alta pueden incluir aplicaciones en las que el aparato 30 de ensayo es suficientemente rígido para transformar la fuerza de contacto entre la superficie 16 de la muestra 10 de material y el dispositivo 40 de referencia de superficie en una rotación de la estructura 32 de soporte. En aplicaciones de carga baja en las que el par motor de corrección proporcionado por el dispositivo 40 de referencia de superficie a la estructura 32 de soporte es insuficiente para proporcionar corrección de inclinación, el dispositivo 40 de referencia de superficie puede proporcionar sólo corrección de elevación. Las aplicaciones de carga baja pueden incluir aplicaciones en las que la fuerza de contacto entre la superficie 16 de la muestra 10 de material y el dispositivo 40 de referencia de superficie no se traduce en una rotación de la estructura 32 de soporte. La corrección de inclinación puede no necesitarse cuando la muestra y el sistema de ensayo se establecen perpendiculares o casi perpendiculares, por ejemplo, a pocos grados de ser perpendiculares, dependiendo de la precisión necesaria. La referencia de superficie que usa elevaciones 46 puede dar referencia de la superficie 16 en una dirección transversal a la dirección de la raya 12.

Haciendo referencia a la figura 4, se muestra una vista frontal esquemática del dispositivo 40 de referencia de superficie en modo de control. La corrección de inclinación lateral puede conseguirse a través de flotadores 58 de contacto proporcionados en los extremos distales de elementos 60 dispuestos en cualquier lado del indentador 20. Según una realización a modo de ejemplo, el indentador 20 puede incluir una punta 54 de indentador que se acopla a una columna 56 de punta de indentador. La fuerza de reacción normal en el indentador 20 entre la punta 54 y la superficie 16 de muestra puede medirse durante el ensayo de rayado. El aparato de ensayo puede incluir un módulo de fuerza, siendo el módulo de fuerza o bien una sonda de fuerza o bien un mecanismo de aplicación de carga normal. El valor de la fuerza de reacción normal en el indentador 20 puede determinarse, por ejemplo, mediante una sonda 55 de fuerza o bien en el modo de control o bien en el modo de monitorización. La sonda 55 de fuerza puede emplearse para medir cualquier fuerza (o carga) aplicable, incluyendo una fuerza normal. Un mecanismo de aplicación de carga normal, tal como se describe adicionalmente a continuación, puede comprender, por ejemplo, un accionador, incluyendo, por ejemplo, un accionador lineal.

Los flotadores 58 pueden incluir indicadores de contacto eléctrico o indicadores 57 de carga de contacto de tal manera que puede proporcionarse un mensaje de error si se pierde el contacto entre los flotadores 58 y la superficie 16 de la muestra 10 de material. Los flotadores 58 pueden establecer contacto con la superficie 16 de muestra a través de deslizamiento con fricción, contacto rodante, flujo de aire u otro mecanismo de flotación. El contacto entre los flotadores 58 y la superficie 16 de muestra puede ser elástico, aunque en algunos casos el contacto plástico puede ser posible. Los flotadores 58 pueden ser ajustables para permitir un cambio en la profundidad de raya. Por ejemplo, en una realización, los flotadores 58 pueden ser móviles con respecto a elementos 60 estáticos que se fijan a la estructura 32 de soporte. Los flotadores pueden ser móviles en una dirección normal a la superficie 16 de muestra. También son posibles otras direcciones de movimiento. En otra realización, todo el dispositivo 40 de referencia de superficie puede ser móvil con respecto a la estructura 32 de soporte. En todavía otra realización, puede proporcionarse una variedad de aparatos 30 de ensayo, teniendo cada aparato de ensayo una altura relativa diferente entre los flotadores 58 y el indentador 20.

En otra realización, cuando está en modo de monitorización, el aparato 30 de ensayo está configurado para realizar un ensayo mecánico controlado por carga. La fuerza de reacción normal entre la punta 54 y la superficie 16 de muestra se controla aplicando una fuerza predeterminada a través de la columna 56 de punta o la propia punta 54 de indentador. La fuerza establecida puede aplicarse, por ejemplo, ajustando la altura del dispositivo 40 de referencia de superficie, tal como se describió anteriormente. En este caso, un mecanismo de aplicación de carga normal de un módulo de fuerza puede transferir una carga (o “fuerza”) constante aplicada desde la columna 56 de punta hasta la punta 54 de indentador, y monitorizar la carga aplicada. En una realización, la punta 54 puede montarse de manera rígida en la columna 56 de punta, tal como se muestra en la figura 4. En otra realización, la punta 54 puede ser móvil con respecto a la columna 56 de punta. Por ejemplo, la punta 54 puede montarse en un pistón móvil accionado por cualquier método apropiado, incluyendo de manera electromecánica, mecánica, hidráulica, neumática, etc. En otras realizaciones, la punta 54 puede ser móvil con respecto a la columna 56 de punta mediante otro mecanismo, tal como con una conexión roscada.

En una realización, cuando está en modo de control, el aparato de ensayo está configurado para realizar un ensayo controlado de desplazamiento. Si la punta 54 se fija de manera rígida a la columna 56 de punta, se mide la fuerza de reacción normal. En el modo de control, se controla la profundidad de la raya. La sonda 55 de fuerza puede medir de manera constante la fuerza de reacción (por ejemplo, fuerza de reacción normal) en la punta 54 de indentador. La sonda 55 de fuerza puede medir la fuerza normal mediante una variedad de métodos directos o indirectos. En una realización, la fuerza de reacción normal se detecta monitorizando la deformación del indentador 20, tal como con una galga extensométrica que detecta la deformación sobre la superficie de la columna 56 de punta u otro componente del conjunto vertical o monitorizando el cambio en altura de la totalidad o una porción de la columna 56 de punta, por ejemplo, con un sensor óptico, tal como a sensor láser, un sensor de inductancia, etc. En otra realización, la fuerza de reacción normal se detecta con un transductor de fuerza en línea montado dentro de la columna 56 de punta.

Haciendo referencia a las figuras 5-6, el dispositivo 40 de referencia de superficie puede incluir adicionalmente elementos 60 que incluyen flotadores 58 de contacto posicionados hacia atrás desde el indentador 20, por ejemplo, en un sentido opuesto a la trayectoria del indentador 20 y la dirección de la raya. En una realización, el dispositivo 40 de referencia de superficie puede incluir un único elemento 60 posicionado en línea con la trayectoria del indentador 20 tal como se muestra en la figura 5. En otra realización, el dispositivo 40 de referencia de superficie puede incluir dos o más elementos 60 posicionados hacia atrás desde el indentador 20 tal como se muestra en la figura 6. Los elementos 60 pueden estar en línea con la trayectoria del indentador 20, o pueden posicionarse lateralmente, al lado de la trayectoria del indentador 20. Los elementos hacia atrás y los elementos posicionados en cualquier lado del indentador 20 pueden utilizarse para dar referencia de la superficie 16 de muestra en la dirección de la trayectoria del indentador 20.

Haciendo referencia a las figuras 5-8, la estructura 32 de soporte puede estar configurada para proporcionar soporte lateral para aislar la carga por fricción lateral a partir de la fuerza de reacción normal en la columna 56 de punta. En una realización a modo de ejemplo, tal como se muestra en las figuras 5 y 6, la estructura 32 de soporte puede incluir una nervadura 59 que se extiende en paralelo a la trayectoria del indentador 20 y la dirección de la raya. La nervadura puede ser una placa, una escuadra de refuerzo u otro refuerzo. En otra realización, tal como se muestra en la figura 7, la columna 56 de punta puede estar configurada para tener una rigidez potenciada por peso, tal como alterando la forma en sección transversal de la columna de punta. En otra realización, tal como se muestra en la figura 8, la estructura 32 de soporte puede incluir una abrazadera 61, que se extiende entre el indentador 20 y la estructura 32 de soporte.

Haciendo referencia ahora a las figuras 9-11, el módulo 34 de transferencia de carga aplica una carga normal a la estructura 32 de soporte. La carga normal se aplica a la estructura 32 de soporte de tal manera que la carga normal en el indentador 20 es mayor que la fuerza de reacción entre la punta 54 y la superficie 16 de muestra. La magnitud de la fuerza de reacción depende del material de muestra 10 que se raya, la geometría de la punta 54 y la profundidad de la raya 12. El módulo 34 de transferencia de carga puede ser cualquier mecanismo adecuado que aplique una carga normal suficiente al indentador 20. El módulo 34 de transferencia de carga puede aplicar una carga normal al indentador 20 a través de la estructura 32 de soporte. Tal como se muestra en la figura 9, en una realización, el módulo 34 de transferencia de carga incluye un resorte 62 de torsión. El resorte de torsión se ancla a una estructura fijada a la muestra 10 de material, tal como el mecanismo 36 de accionamiento, y se engancha a un brazo que aplica una fuerza normal a una porción de la estructura 32 de soporte, tal como la nervadura 59. En otra realización, el módulo 34 de transferencia de carga puede incluir otro mecanismo, tal como un accionador lineal. Tal como se muestra en la figura 10, el módulo 34 de transferencia de carga puede incluir un accionador 67 lineal montado en una estructura 68 de soporte anclada al mecanismo 36 de accionamiento y que aplica una fuerza normal a una porción de la estructura 32 de soporte, tal como la nervadura 59. Tal como se muestra en la figura 11, el módulo 34 de transferencia de carga en otra realización puede incluir un accionador 70 lineal montado en una estructura 69 de soporte anclada a la estructura 32 de soporte y que aplica una fuerza normal a la estructura 32 de soporte a través de un brazo de transferencia.

Según una realización a modo de ejemplo, el aparato 30 de ensayo está configurado de tal manera que el mecanismo 36 de accionamiento puede transmitir un movimiento de traslación a la estructura 32 de soporte y el indentador 20 mientras que la estructura 32 de soporte y el indentador 20 pueden moverse independientemente del mecanismo 36 de accionamiento en una dirección normal a la superficie 16 de muestra. La estructura 32 de soporte puede acoplarse al mecanismo 36 de accionamiento con un elemento 35 de acoplamiento. En una realización, el elemento 35 de acoplamiento incluye un enlace 64, acoplado a la estructura 32 de soporte y al mecanismo 36 de accionamiento con conexiones 63 con pasador.

Haciendo referencia a las figuras 12A-13B, se muestra el mecanismo 36 de accionamiento para proporcionar el movimiento de traslación a lo largo de la superficie 16 de muestra según varias realizaciones a modo de ejemplo. El mecanismo 36 de accionamiento proporciona un movimiento de traslación a través del enlace 64 acoplado a un cabezal 65 de transferencia sin interferir con la alineación del indentador 20 tal como se prescribe por el dispositivo 40 de referencia de superficie. En otras realizaciones, el mecanismo 36 de accionamiento puede acoplarse a la estructura 32 de soporte con otra conexión adecuada. El movimiento de traslación puede aplicarse con una fuerza lateral en la fuerza de empuje o tracción (por ejemplo, una fuerza en un sentido hacia o alejándose del indentador 20). Según una realización a modo de ejemplo, la fuerza lateral se aplica con un accionador 66 lineal que funciona en la dirección paralela a la superficie 16 de muestra que se raya. El accionador 66 lineal puede ser cualquier mecanismo adecuado (por ejemplo, mecánico, hidráulico, neumático, electromagnético, etc.) capaz de proporcionar una fuerza suficiente para superar la fricción que resulta a partir de la fuerza normal aplicada por el módulo 34 de transferencia de carga.

Haciendo referencia a las figuras 12A y 12B, el accionador 66 lineal actúa sobre un pasador 73 de accionamiento. El pasador 73 de accionamiento se mantiene en su lugar usando un soporte 72, que también puede actuar para alinear el pasador 73 de accionamiento con el punto de aplicación de carga deseado, por ejemplo, el cabezal 65 de transferencia. El punto de aplicación de carga que conecta el mecanismo 36 de accionamiento a la estructura 32 de soporte se posiciona preferiblemente cerca de la superficie 16 de muestra para reducir el momento impartido en el indentador 20 cuando se aplica una fuerza de empuje y para reducir la tendencia a reducir la carga aplicada al indentador 20 cuando se aplica una fuerza de tracción. Para proporcionar estabilidad en el sistema de accionamiento, puede usarse una pluralidad de soportes 72 en múltiples ubicaciones a lo largo de la trayectoria del pasador 73 de accionamiento para guiar un pasador 74 de accionamiento secundario opcional conectado al pasador 73 de accionamiento mediante un elemento 75 de conexión. Cada uno de los soportes 72 puede acoplarse a la muestra 10 de material con la estructura 38 de montaje.

Haciendo referencia a las figuras 13A y 13B, en otra realización, el mecanismo 36 de accionamiento puede incluir múltiples pasadores 76 de accionamiento. Los pasadores 76 de accionamiento se mantienen en su lugar usando múltiples soportes 72, que también actúan para alinear cada uno de los pasadores 76 de accionamiento. Los múltiples pasadores 76 de accionamiento pueden conectarse mediante elementos 75 de conexión de tal manera que actúan en unísono para actuar sobre el punto de aplicación de carga deseado.

La estructura 38 de montaje está configurada para acoplar el aparato 30 de ensayo a la muestra de material. En las diversas configuraciones, cada punto de contacto fijo con la muestra 10 de material, por ejemplo, cada uno de los múltiples soportes 72, puede corresponder a una unión fija, para una estructura 38 de montaje en la que la muestra 10 de material se monta en el aparato 30 de ensayo, por ejemplo, un aparato de ensayo estacionario, o puede corresponder a un punto fijo de contacto entre la muestra 10 de material y el aparato de ensayo, por ejemplo, para un aparato de ensayo portátil. En una realización a modo de ejemplo, para un aparato de ensayo portátil, la estructura 38 de montaje puede incluir dispositivos magnéticos similares a los utilizados en taladros magnéticos para crear el contacto, así como aspiración de alta presión con una muestra de material ferromagnético. En algunas realizaciones a modo de ejemplo, el aparato 30 de ensayo puede utilizarse como unidad de campo y la muestra de material puede prepararse, por ejemplo, con una preparación de superficie, antes de un ensayo de rayado.

En una realización, durante el funcionamiento del aparato 30 de ensayo, tal como se describe en diversas realizaciones en el presente documento, la profundidad 26 de la raya 12 se conoce a través del dispositivo 40 de referencia de superficie y la fuerza de reacción en la punta 54 del indentador 20 o bien se controla o bien se mide durante el funcionamiento. El aparato 39 de medición está configurado para detectar parámetros adicionales, tales como la anchura 24 del perfil de raya o la altura 28 de apilamiento. Pueden usarse algoritmos informáticos para predecir las propiedades físicas de la muestra 10 de material usando la profundidad 26 de raya, la fuerza de reacción y al menos una de la anchura 24 de raya y la altura 28 de apilamiento. Tal como se muestra en la figura 2, el aparato 39 de medición puede posicionarse detrás del indentador 20, por ejemplo, varias anchuras de raya detrás de la punta 54 de indentador. En otras realizaciones, el aparato 39 de medición puede posicionarse debajo de la columna 56 de punta del indentador 20, o acoplarse a uno de los flotadores 58 de salida del dispositivo 40 de referencia de superficie.

La altura 28 de apilamiento puede medirse directamente usando al menos uno de métodos ópticos, electromagnéticos y mecánicos. Otros métodos adecuados son posibles. La altura 28 de apilamiento puede medirse con un mecanismo de contacto o un mecanismo sin contacto. Al detectar la altura de apilamiento con un mecanismo de contacto, puede medirse el promedio de las alturas 28 de apilamiento a partir de cada lado de la raya 12 para simplificar los métodos de procesamiento posterior.

Haciendo referencia a la figura 14, según una realización a modo de ejemplo, el aparato 39 de medición puede incluir un resorte 79 de láminas. El resorte 79 de láminas se monta en la estructura 32 de soporte de tal manera que el extremo distal del resorte 79 de láminas se posiciona en o debajo de la elevación de la punta 54 del indentador 20. Un saliente 80, por ejemplo, una cuña o cresta, se proporciona en el extremo distal del resorte 79 de láminas. El saliente 80 está configurado para hacer contacto con la parte superior de los apilamientos 14 en cualquier lado de la raya 12. Las propiedades de desviación del resorte 79 de láminas pueden permitir mantener contacto entre el saliente 80 y los apilamientos 14. El contacto entre los apilamientos 14 y el saliente 80 desvía el extremo distal del resorte 79 de láminas hacia arriba. La magnitud de la desviación del resorte 79 de láminas puede detectarse con un transductor 81 de desplazamiento ubicado sobre la cuña y usado para calcular la altura 28 de apilamiento. El transductor 81 puede ser un transformador diferencial variable lineal (LVDT), un condensador de placas, una unidad piezoeléctrica, un sensor láser, un sensor de enfoque óptico o cualquier otro dispositivo adecuado.

Haciendo referencia a la figura 15, según otra realización a modo de ejemplo, el aparato 39 de medición puede incluir un transductor 84 de desplazamiento mecánico lineal montado en la estructura 32 de soporte en una orientación generalmente vertical. Se dispone una montura 86 por debajo del transductor 84 próximo a la superficie 16 de muestra y se acopla al transductor 84 mediante una barra 83 de conexión. Se acopla una viga 88 de cuña a la montura 86 en un pasador 87 que rota libremente, estando el pasador orientado de manera general en línea con la trayectoria del indentador 20 y siendo la viga 88 de cuña transversal a la trayectoria del indentador 20 y extendiéndose a través de la anchura de la raya 12 de tal manera que hace contacto con los apilamientos 14 en cualquier lado de la raya 12. La magnitud de la desviación de la montura 86 puede detectarse con el transductor 84 y se usa para calcular la altura 28 de apilamiento. El transductor 84 puede ser un transformador diferencial variable lineal (LVDT), un condensador de placas, una unidad piezoeléctrica, un sensor láser, un sensor de enfoque óptico o cualquier otro dispositivo adecuado.

En otra realización, el aparato 39 de medición puede estar configurado en cambio para medir la anchura 24 de raya. La anchura 24 de raya puede medirse con perfilometría. En una realización, la anchura 24 de raya puede determinarse obteniendo imágenes directas con un microscopio o dispositivo de aumento.

Tal como se muestra en las figuras 16 y 17A-D, un aparato 90 de monitorización de perfil permite monitorizar información adicional sobre el perfil de rayado residual. Según una realización, el aparato 90 de monitorización de perfil puede incluir una combinación de trazadores. Los trazadores pueden ser independientes o combinados al ramificarse a partir de un trazador más grande u otro aparato. Un trazador 91 de centro de raya permite monitorizar la profundidad de raya, y el trazador de centro de raya puede tener un ángulo incluido menor que el ángulo en el centro del perfil de raya residual, tal como se muestra en la figura 16. El trazador 91 de centro de raya también puede identificar y medir la rugosidad superficial y variaciones locales provocadas por poros, inclusiones y microgrietas en el material. El trazador 92 de altura de apilamiento puede ser similar al mostrado en la figura 12, pero se utiliza junto con un trazador 93 de referencia de superficie. El trazador 92 de altura de apilamiento y el trazador 93 de referencia de superficie pueden ser suficientemente elásticos bajo torsión para garantizar el contacto en ambos lados de la raya incluso en presencia de inclinación. Todos los trazadores pueden cargarse elásticamente de manera previa para garantizar una presión de contacto suficiente cuando el aparato de ensayo se engancha con la superficie de muestra. Además, la presión de contacto puede inducirse a través de otros mecanismos, por ejemplo, autoponderado y presión de aire. El trazador de apilamiento puede tener un saliente 80 de contacto de apilamiento, una esquina 96 de trazador de apilamiento o un extremo recto. El trazador 93 de referencia de superficie puede tener flotadores 97 de trazador de referencia de superficie y/o un extremo recto.

Los trazadores que forman parte del aparato de monitorización de perfil pueden monitorizarse a través de métodos electrónicos, métodos ópticos, métodos mecánicos y similares. Los métodos eléctricos pueden incluir monitorización de capacitancia, inductancia y/o propiedades piezoeléctricas. Los métodos ópticos pueden incluir micrometría confocal y óptica, iluminando la fuente de luz desde cualquier dirección adecuada, por ejemplo, desde la parte superior o lateral. Los métodos mecánicos pueden incluir el uso de un LVDT y otros transductores de desplazamiento. Según una realización, la instrumentación puede montarse en el trazador de referencia de superficie. Una realización adicional incluye una extensión 98 de trazador para su uso con métodos ópticos. Las extensiones 98 de trazador pueden montarse en el trazador 91 de centro de raya, el trazador 92 de altura de apilamiento y/o el trazador 93 de referencia de superficie para usarse como punto de referencia fiable para monitorizar y medir los perfiles. Alternativamente, el extremo de los trazadores puede ser plano, incluso con métodos ópticos tales como con el uso de lentes confocales.

Como alternativa al aparato 90 de monitorización de perfil, un perfilómetro en 2D, o bien basado en contacto o bien óptico, puede montarse en el aparato de ensayo detrás de la punta. El perfilómetro en 2D puede permitir una descripción completa del perfil de raya, incluyendo dar referencia de la superficie.

Las figuras 18A-C y 19A-C muestran un ejemplo de un aparato 94 de ensayo y un aparato 90 de monitorización de perfil integrados. El aparato de integración puede incluir flotadores en la misma estructura de soporte que soporta la columna 56 de punta de indentador. Se muestra una función de corrección de inclinación en la figura 16c con cuatro flotadores 58. El número de flotadores no tiene que ser de un valor particular y puede ajustarse basándose en la aplicación. Por ejemplo, puede haber al menos 1 flotador, por ejemplo, al menos 2, 3, 4, 5, 6 o más. Dos de los flotadores pueden ubicarse más cerca entre sí para evitar un contacto de tres puntos intermitente. Los dos flotadores ubicados más cerca entre sí se muestran en la parte delantera del dispositivo, pero pueden ubicarse en la parte trasera del dispositivo. La configuración mostrada en la figura 16C proporciona más espacio para el aparato 90 de monitorización de perfil. Para corregir la curvatura de superficie, la longitud de tramo entre la punta 54 de indentador y los flotadores 99 delanteros y la longitud de tramo entre la punta y los flotadores 100 traseros pueden establecerse en una razón predeterminada. El aparato 94 de ensayo puede incluir uno o más travesaños 101 de tensionado para portar la fuerza de contacto tangencial entre la punta y la superficie de material. El aparato 94 de ensayo puede mecanizarse a partir de un bloque, fabricado por métodos de ataque química o construido usando técnicas de impresión 3D, incluyendo la sinterización por láser. Puede emplearse un método de impresión 3D para formar el aparato de ensayo a partir de titanio. Otros materiales y técnicas de fabricación también son posibles. El aparato 94 de ensayo puede estar formado a partir de un bloque unitario de material. En una realización, el aparato de ensayo puede incluir un módulo de fuerza y un aparato de monitorización de perfil, tal como se describió anteriormente, y el módulo de fuerza y el aparato de monitorización de perfil, junto con el dispositivo de referencia de superficie, puede integrarse en un cuerpo, tal como un bloque unitario de material. Según una realización, el aparato 94 de ensayo puede incluir una estructura de soporte formada a partir de un bloque unitario de material. El bloque unitario de material puede estar formado por cualquier procedimiento adecuado, por ejemplo, la mecanización de un bloque de material o la construcción del bloque de material a través de impresión 3D. Unas porciones del aparato 90 de ensayo pueden tener un recubrimiento o tratamiento de superficie que proporciona una resistencia al desgaste aumentada. El aparato 90 de ensayo también puede incluir puntos 102 de transferencia de carga con el sistema de accionamiento para maximizar la estabilidad. Los puntos 102 de transferencia de carga pueden establecerse entre la punta y los flotadores traseros para ayudar a distribuir la carga entre los flotadores 58. El aparato 94 de ensayo también puede incluir monturas 103 de sonda de perfil de superficie ubicadas en el lado, parte inferior y/o la parte superior del aparato principal.

En el aparato integrado, el aparato 90 de monitorización de perfil puede montarse después de que se instale la punta. Los perfiles para los trazadores pueden abarcar desde la parte delantera del dispositivo hacia la parte trasera y a través de la punta, y pueden tener una flexibilidad suficiente para albergar la totalidad de una amplitud de medición. Tal como se muestra en la figura 16B, el extremo trasero del aparato 94 de ensayo puede extenderse para elevar los trazadores, protegiendo los trazadores de daño potencial y proporcionando ubicaciones para monitorizar y medir la posición de trazador.

La figura 20 muestra un aparato que incluye un mecanismo 107 de preparación de superficie en una realización. El aparato puede incluir una herramienta 104 de preparación de superficie montada con o sin una inclinación 105 de herramienta de superficie para engancharse al material de muestra a medida que se guía por un dispositivo 106 de referencia de preparación de superficie. El dispositivo 106 de referencia de preparación de superficie puede incluir un conjunto de herramientas guiadas que tiene una curvatura establecida. La preparación de superficie puede introducir una curvatura predeterminada a la superficie de la muestra de material, que puede corregirse por el dispositivo de referencia de preparación de superficie. Por ejemplo, una curvatura de muestra de material introducida por la preparación de superficie puede corregirse por flotadores de impulsión. La preparación de superficie permite transiciones suaves desde el material de referencia hasta una soldadura. Los mecanismos 107 de preparación de superficie pueden basarse en técnicas de abrasión o mecanizado, por ejemplo, tal como fresado de cola. El detalle de la herramienta de preparación de superficie y la curvatura del dispositivo 106 de referencia de preparación de superficie pueden emplearse como una entrada para ajustar la razón de la extensión entre la punta y los flotadores 99 delanteros hasta la extensión entre la punta y los flotadores 100 traseros.

La preparación de superficie es opcional. En general, cualquier tipo de procesamiento para acondicionar previamente la superficie de la muestra puede considerarse preparación de superficie. En una realización, la preparación de superficie permite verificar y/o mejorar al menos una condición de la superficie de material antes de que se realice un ensayo de rayado. En una realización, la preparación de superficie incluye modificar una condición de la superficie de muestra usando un conjunto de herramientas guiadas para engancharse al material de muestra y generar una curvatura predeterminada. La decisión de si realizar la preparación de superficie puede estar influida por el material que va a someterse a ensayo y la verificación de la condición de superficie de material. Según una realización, la superficie de material puede lubricarse para reducir la fricción de la superficie de material y/o la variación de la fricción de la superficie de material.

El aparato de ensayo puede emplearse para la caracterización de superficies hasta el acuerdo de y a través de soldaduras en ángulo y de ranura. Para una aplicación de este tipo, los flotadores 58 pueden ubicarse detrás de la punta 54 de indentador. Según una realización, pueden ubicarse dos flotadores 58 a unas pocas distancias de anchura de raya detrás de la punta 54 de indentador. Esta disposición permite que la punta 54 de indentador se aproxime a una porción en pendiente de la soldadura. En algunos casos, pueden utilizarse dos operaciones para obtener la información de perfil de raya hasta el extremo de la trayectoria de la punta 54 de indentador cuando los flotadores se ubican detrás de la punta 54 de indentador. Una primera operación incluye la formación de la raya con el concepto de control de inclinación, y una segunda operación puede incluir monitorizar el perfil de raya usando referencia de superficie. Pueden añadirse marcadores transversales sobre la superficie del material antes de formar la raya para establecer una relación entre la respuesta de fuerza de contacto normal y el perfil de rayado residual. Para combinar las dos operaciones, el aparato de monitorización de perfil puede montarse en la orientación opuesta a la que se muestra en las figuras 15, 16 y 17A-D. Por ejemplo el aparato de monitorización de perfil puede unirse en la parte trasera del aparato y el contacto con el perfil de superficie puede quedarse justo detrás de la punta 54 de indentador.

El aparato de ensayo puede conectarse a, o incluir, un sistema de análisis que está configurado para predecir o estimar las propiedades físicas de la muestra 10 de material basándose en los datos medidos producidos durante el ensayo de rayado. El sistema de análisis puede ser un dispositivo informático. Según una realización, el aparato de ensayo puede conectarse a un sistema de análisis por una conexión por cable, una conexión inalámbrica y/o una conexión de USB. Otros tipos de conexiones también son posibles.

El aparato 30 de ensayo tal como se describió anteriormente proporciona un método que es sencillo de implementar y fiable para la realización de un ensayo de rayado con instrumentación para determinar las propiedades mecánicas de los materiales. El aparato 30 de ensayo es capaz de realizar un experimento de ensayo de rayado y medir todas las entradas necesarias para predecir las propiedades mecánicas usando los algoritmos desarrollados. Además, a través del uso del dispositivo 40 de referencia de superficie, el aparato 30 de ensayo puede mantener una profundidad de rayado constante durante un experimento de rayado. El dispositivo 40 de referencia de superficie también puede utilizarse para monitorizar la superficie de muestra no deformada o controlar la elevación y alineación de la punta de indentador a través de múltiples métodos. El aparato de ensayo puede controlar las fuerzas normales y de traslación para controlar la profundidad de la raya durante un experimento de ensayo de rayado.

El aparato de ensayo tal como se describió anteriormente es un mecanismo relativamente compacto que es adecuado para unirse a sistemas de accionamiento tanto portátiles como estacionarios. Esto permitiría un ensayo de campo in situ de estructuras más grandes con un dispositivo portátil o un ensayo de laboratorio de muestras más pequeñas con un sistema de accionamiento estacionario. El aparato de ensayo es capaz de funcionar o bien en una configuración de empuje o bien en una configuración de tracción y puede utilizarse con múltiples sistemas de accionamiento basados en la profundidad de rayado deseada, la carga normal y la geometría de la muestra de ensayo.

El aparato de ensayo descrito en el presente documento es capaz de medir de manera continua la fuerza de reacción en el indentador durante un experimento de rayado. El aparato de ensayo incluye instrumentación para medir de manera continua la altura de apilamiento o la anchura de apilamiento a lo largo de la longitud de la raya a través de métodos tanto de contacto como sin contacto.

Aunque la descripción contiene las especificaciones anteriores, no debe interpretarse que éstas limitan el alcance de la invención, sino que simplemente proporcionan ilustraciones de algunas de las realizaciones preferidas en el presente documento de esta invención. Por ejemplo, el aparato descrito puede incorporarse dentro de un sistema de control de calidad continuo en el que se usan rayas para monitorizar cambios en propiedades de material durante la producción, tal como una tienda de fabricación de metal o fabricante de automóviles. Se observa que cualquiera de los componentes de los aparatos descritos en el presente documento o cualquiera de las etapas de los métodos descritos en el presente documento que usan los aparatos descritos en el presente documento, pueden hacerse funcionar manualmente o mediante un dispositivo informático. El funcionamiento mediante un dispositivo informático puede llevarse a cabo, por ejemplo, a través de la ejecución del dispositivo informático mediante un algoritmo (tal como a través de un programa informático). De manera similar, los algoritmos descritos en el presente documento pueden ser algoritmos informáticos almacenados como software en un medio legible por ordenador no transitorio. Un dispositivo informático puede referirse a cualquier dispositivo que comprende un procesador. Además, el conjunto puede fabricarse a partir de una variedad de materiales incluyendo aluminio y latón, con diversas cubiertas de polímero para alojar los componentes con instrumentación importantes. El dispositivo principal y componentes de soporte asociados pueden fabricarse de manera que son más pequeños o más grandes basándose en la profundidad de rayado deseada, la carga aplicada y la geometría de ensayo. El sistema de accionamiento puede existir en muchas realizaciones diferentes de tal manera que puede unirse a sistemas portátiles o estacionarios. El aparato descrito en el presente documento puede empaquetarse como unidades modulares para ofrecer características específicas tales como una resolución mejorada o diferentes profundidades de rayado. La anchura de raya puede monitorizarse en lugar del método para medir la altura de apilamiento específicamente detallada anteriormente. Según una realización, los parámetros de rayado pueden monitorizarse mediante un cabezal de detección independiente que se ubica detrás del y sigue al indentador. Además, el sistema puede incluir un módulo de preparación de superficie opcional mediante fresado, amolado o pulido. Adicionalmente, los métodos descritos en el presente documento pueden incluir además el uso de ecuaciones derivadas de una simulación por ordenador, tal como un análisis de elementos finitos, para establecer predictores para el límite elástico, el exponente de endurecimiento por deformación, la resistencia a la rotura por tracción y/o un índice del alargamiento en la rotura. Otros métodos analíticos, tales como algoritmos analíticos, pueden emplearse para derivar parámetros de propiedades de material.

Observaciones adicionales

Aunque las presentes enseñanzas se han descrito junto con diversas realizaciones y ejemplos, no se pretende que las presentes enseñanzas se limiten a tales realizaciones o ejemplos. Al contrario, las presentes enseñanzas engloban diversas alternativas, modificaciones y equivalentes, tal como se apreciará por los expertos en la técnica.

Aunque se han descrito e ilustrado diversas realizaciones inventivas en el presente documento, los expertos habituales en la técnica idearán fácilmente una variedad de otros mecanismos y/o estructuras para realizar la función y/u obtener los resultados y/o una o más de las ventajas descritas en el presente documento, y cada una de tales variaciones y/o modificaciones se supone que está dentro del alcance de las realizaciones inventivas descritas en el presente documento. De manera más general, los expertos en la técnica apreciarán fácilmente que se supone que todos los parámetros, dimensiones, materiales y configuraciones descritos en el presente documento son a modo de ejemplo y que los parámetros, dimensiones, materiales y/o configuraciones reales dependerán de la aplicación o aplicaciones específicas para las que se usa(n) la(s) enseñanza(s) inventiva(s). Los expertos en la técnica reconocerán muchos equivalentes a las realizaciones inventivas específicas descritas en el presente documento. Por tanto, debe entenderse que las realizaciones anteriores se presentan sólo a modo de ejemplo y que, dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas y equivalentes de las mismas, pueden llevarse a la práctica realizaciones inventivas distintas de las descritas y reivindicadas específicamente.

Las realizaciones descritas anteriormente de la invención pueden implementarse de cualquiera de numerosas maneras. Por ejemplo, algunas realizaciones pueden implementarse usando hardware, software o una combinación de los mismos. Cuando cualquier aspecto de una realización se implementa al menos en parte en software, el código de software puede ejecutarse en cualquier procesador o grupo de procesadores adecuados, o bien proporcionado en un único ordenador o bien distribuido entre múltiples ordenadores.

En este respecto, pueden realizarse diversos aspectos de la invención al menos en parte como medio de almacenamiento legible por ordenador (o múltiples medios de almacenamiento legibles por ordenador) (por ejemplo, una memoria informática, uno o más discos flexibles, discos compactos, discos ópticos, cintas magnéticas, memorias flash, configuraciones de circuito en matrices de puertas programables en el campo u otros dispositivos de semiconductor, u otro medio de almacenamiento informático tangible o medio no transitorio) codificado con uno o más programas que, cuando se ejecutan en uno o más ordenadores u otros procesadores, realizan métodos que implementan las diversas realizaciones de la tecnología explicada anteriormente. El medio o los medios legibles por ordenador pueden ser transportables, de tal manera que el programa o programas almacenados en los mismos pueden cargarse en uno o más ordenadores u otros procesadores diferentes para implementar diversos aspectos de la presente tecnología tal como se explicó anteriormente.

Los términos “programa” o “software” se usan en el presente documento en un sentido general para referirse a cualquier tipo de código informático o conjunto de instrucciones ejecutables por ordenador que pueden emplearse para programar un ordenador u otro procesador para implementar diversos aspectos de la presente tecnología tal como se explicó anteriormente. Adicionalmente, debe apreciarse que según un aspecto de esta realización, uno o más programas informáticos que realizan métodos de la presente tecnología cuando se ejecutan no tienen que residir en un único ordenador o procesador, sino que pueden distribuirse de manera modular entre varios ordenadores o procesadores diferentes para implementar diversos aspectos de la presente tecnología.

Las instrucciones ejecutables por ordenador pueden estar en muchas formas, tales como módulos de programa, ejecutados por uno o más ordenadores u otros dispositivos. Generalmente, los módulos de programa incluyen rutinas, programas, objetos, componentes, estructuras de datos, etc., que realizan tareas particulares o implementan tipos de datos abstractos particulares. Normalmente la funcionalidad de los módulos de programa puede combinarse o distribuirse tal como se desea en diversas realizaciones.

Además, la tecnología descrita en el presente documento puede realizarse como un método, del que se ha proporcionado al menos un ejemplo. Los actos realizados como parte del método pueden ordenarse de cualquier manera adecuada. Por consiguiente, pueden llevarse a cabo unas realizaciones en las que se realizan actos en un orden diferente del ilustrado, que puede incluir realizar algunos actos simultáneamente, aunque se muestran como actos secuenciales en realizaciones ilustrativas.

Debe entenderse que todas las definiciones, tal como se definen y usan en el presente documento, se imponen sobre definiciones de diccionario, definiciones en documentos citados en el presente documento y/o significados ordinarios de los términos definidos.

Debe entenderse que los artículos indefinidos “un” y “una”, tal como se usan en el presente documento en la memoria descriptiva y en las reivindicaciones, a menos que se indique claramente lo contrario, significan “al menos uno”. Cualquier intervalo citado en el presente documento es inclusivo.

Los términos “sustancialmente” y “aproximadamente” usados a lo largo de esta memoria descriptiva se usan para describir y dar cuenta de pequeñas fluctuaciones. Por ejemplo, pueden referirse a menos de o igual al ±5%, tal como menos de o igual al ±2%, tal como menos de o igual al ±1%, tal como menos de o igual al ±0,5%, tal como menos de o igual al ±0,2%, tal como menos de o igual a ±0,1%, tal como menos de o igual a ±0,05%.

Debe entenderse que la expresión “y/o”, tal como se usa en el presente documento en la memoria descriptiva y en las reivindicaciones, significa “uno o ambos” de los elementos en conjunción, es decir, elementos que se presentan en conjunto en algunos casos y se presentan por separado en otros casos. Múltiples elementos enunciados con “y/o” deben interpretarse de la misma manera, es decir, “uno o más” de los elementos en conjunción de esta manera. Otros elementos pueden presentarse opcionalmente distintos de los elementos identificados específicamente por la expresión “y/o”, o bien relacionados o bien no relacionados a los elementos identificados específicamente. Por tanto, como ejemplo no limitativo, una referencia a “A y/o B”, cuando se usa junto con una expresión abierta tal como “que comprende” puede referirse, en una realización, a sólo A (incluyendo opcionalmente elementos distintos de B); en otra realización, a sólo B (incluyendo opcionalmente elementos distintos de A); en aún otra realización, tanto a A como a B (incluyendo opcionalmente otros elementos); etc.

Tal como se usa en el presente documento en la memoria descriptiva y en las reivindicaciones, debe entenderse que “o” tiene el mismo significado que “y/o” tal como se definió anteriormente. Por ejemplo, cuando se separan elementos en una lista, debe interpretarse que “o” o “y/o” son inclusivos, es decir, la inclusión de al menos uno, pero también que incluyen más de uno, de varios o una lista de elementos y, opcionalmente, elementos no mencionados adicionales. Sólo los términos indicados claramente por el contrario, tal como “sólo uno de” o “exactamente uno de” o, cuando se usan en las reivindicaciones, “que consiste en”, se referirán a la inclusión de exactamente un elemento de varios o una lista de elementos. En general, sólo debe interpretarse que el término “o” tal como se usa en el presente documento indica alternativas exclusivas (es decir “uno o el otro pero no ambos”) cuando viene precedido por términos de exclusividad, tal como “o bien”, “uno de”, “sólo uno de” o “exactamente uno de”. “Que consiste esencialmente en”, cuando se usa en las reivindicaciones, debe tener su significado ordinario tal como se usa en el campo de la ley de patentes.

Tal como se usa en el presente documento en la memoria descriptiva y en las reivindicaciones, debe entenderse que la expresión “al menos uno”, en referencia a una lista de uno o más elementos, significa al menos un elemento seleccionado de uno cualquiera o más de los elementos en la lista de elementos, pero que no incluye necesariamente al menos uno de todos y cada uno de los elementos específicamente mencionados dentro de la lista de elementos y sin excluir cualquier combinación de elementos en la lista de elementos. Esta definición también permite que puedan estar presentes opcionalmente elementos distintos de los elementos identificados específicamente dentro de la lista de elementos a los que se refiere la expresión “al menos uno”, o bien relacionados o bien no relacionados con los elementos identificados específicamente. Por tanto, como ejemplo no limitativo, “al menos uno de A y B” (o, de manera equivalente, “al menos uno de A o B” o, de manera equivalente “al menos uno de A y/o B”) puede referirse, en una realización, a al menos uno, incluyendo opcionalmente más de uno, A, sin B presente (e incluyendo opcionalmente elementos distintos de B); en otra realización, a al menos uno, incluyendo opcionalmente más de uno, B, sin A presente (e incluyendo opcionalmente elementos distintos de A); en aún otra realización, a al menos uno, incluyendo opcionalmente más de uno, A, y al menos uno, incluyendo opcionalmente más de uno, B (e incluyendo opcionalmente otros elementos); etc.

En las reivindicaciones, así como en la memoria descriptiva anterior, debe entenderse que todas las expresiones de transición tales como “que comprende”, “que incluye”, “que porta”, “que tiene”, “que contiene”, “que implica”, “que mantiene”, “compuesto de” y similares tienen un sentido abierto, es decir, significan que incluyen pero no están limitadas. Sólo las expresiones de transición “que consiste en” y “que consiste esencialmente en” deben ser expresiones de transición cerradas o semicerradas, respectivamente, tal como se expone en el manual de procedimientos de examen de patentes de la oficina de patentes de Estados Unidos, sección 2111.03.

Claims (15)

1. REIVINDICACIONES

   i. Aparato (30) de ensayo de rayado, comprendiendo el aparato (30) de ensayo de rayado:

   (i) un indentador (20) en el que una punta del mismo está configurada para engancharse a una superficie (16) de muestra en una ubicación de contacto;

   (ii) un mecanismo (36) de accionamiento configurado para hacer que el indentador (20) se mueva a lo largo de la superficie (16) de muestra para formar una raya (12);

   (iii) un dispositivo (40) de referencia de superficie configurado para establecer la posición del indentador (20) con respecto a la superficie (16) de muestra, incluyendo el dispositivo (40) de referencia de superficie un primer elemento (60) dispuesto en un lado del indentador (20), posicionado lateralmente desde el indentador (20), y un segundo elemento (60) dispuesto en el lado opuesto del indentador (20) desde el primer elemento (60), para controlar la posición del indentador (20) en una dirección normal a la superficie (16) de muestra al mismo tiempo que se realiza la raya (12), en el que se controla la posición del indentador (20) manteniendo las elevaciones (46) de los elementos (60) de referencia de superficie en cualquier lado del indentador (20) en el mismo valor, para controlar la pendiente de una trayectoria del indentador (20) y para proporcionar una corrección de inclinación lateral de la pendiente (44) en una dirección perpendicular a la trayectoria del indentador (20);

   (iv) un dispositivo (39) de medición configurado para medir la altura (28) de apilamiento de material de muestra retirado de la raya (12), y/o la anchura (24) de la raya (12); y

   (v) una estructura (32) de soporte configurada para soportar el indentador (20), el dispositivo (40) de referencia de superficie y el dispositivo (39) de medición.
2. 2. Aparato de ensayo de rayado según la reivindicación 1, configurado además para funcionar en un modo de monitorización, en el que el dispositivo (40) de referencia de superficie está configurado además para monitorizar las elevaciones (46) de los elementos (60) de referencia de superficie con respecto a una porción no deformada de la superficie (16) de muestra a lo largo de la trayectoria del indentador (20).
3. 3. Aparato de ensayo de rayado según la reivindicación 2, que comprende además un dispositivo para monitorizar las elevaciones de los elementos (60) de referencia de superficie, incluyendo el dispositivo para monitorizar unos sensores sin contacto basados en óptica, capacitancia o inductancia, y sondas de desplazamiento tales como resortes de láminas y transductores de desplazamiento variable lineal (LVDT).
4. 4. Aparato de ensayo de rayado según la reivindicación 1 ó 2, en el que el dispositivo (40) de referencia de superficie incluye además uno o más elementos (60) de referencia de superficie posicionados hacia atrás desde el indentador (20), o bien en línea con la trayectoria del indentador (20) o bien lateralmente a un lado de la trayectoria del indentador (20), en el que el uno o más elementos (60) de referencia de superficie son adecuados para dar referencia de la superficie (16) de muestra en la dirección de la trayectoria del indentador (20).
5. 5. Aparato de ensayo de rayado según la reivindicación 1, que comprende además un mecanismo (34) de aplicación de carga normal configurado para aplicar una carga normal al indentador (20).
6. 6. Aparato de ensayo de rayado según la reivindicación 1, en el que el mecanismo (36) de accionamiento comprende un mecanismo de unión configurado para unir de manera fija el mecanismo (36) de accionamiento a la superficie (16) de muestra.
7. 7. Aparato de ensayo de rayado según la reivindicación 4, en el que el dispositivo (40) de referencia de superficie está configurado además para monitorizar las elevaciones de los elementos (60) de referencia de superficie con respecto a una porción no deformada de la superficie (16) de muestra durante el ensayo a lo largo de la trayectoria del indentador (20).
8. 8. Aparato de ensayo de rayado según la reivindicación 1, que comprende además un módulo de fuerza y un aparato (90) de monitorización de perfil, en el que el módulo de fuerza, el dispositivo (40) de referencia de superficie y el aparato (90) de monitorización de perfil están integrados en un cuerpo.
9. 9. Aparato de ensayo de rayado según la reivindicación 1, que comprende además una sonda (55) de fuerza configurada para medir una fuerza o carga, que incluye una fuerza normal, entre el indentador (20) y la ^{superficie (}16 ^{) de muestra.}
10. 10. Aparato de ensayo de rayado según la reivindicación 1, en el que la estructura (32) de soporte comprende al menos un flotador configurado para hacer contacto con la superficie (16) de muestra y para permitir que la estructura (32) de soporte se deslice sobre la superficie (16) de muestra.
11. 11. Método de ensayo de rayado sobre una superficie (16) de muestra, comprendiendo el método:

    (i) proporcionar el aparato según la reivindicación 1;

    (ii) enganchar el indentador (20) con la superficie (16) de muestra;

    (iii) mover el indentador (20) a lo largo de la superficie (16) de muestra para formar una raya (12);

    (iv) controlar la posición del indentador (20) en una dirección normal a la superficie (16) de muestra al mismo tiempo que se realiza la raya (12); y

    (v) medir la altura (28) de apilamiento de material de muestra retirado de la raya (12) y/o la anchura (24) de la raya (12),

    en el que la formación de la raya (12) y la medición de la altura (28) de apilamiento de material de muestra retirado de la raya (12) y/o la anchura (24) de la raya (12) se llevan a cabo simultánea o secuencialmente.
12. 12. Método de ensayo de rayado según la reivindicación 11, que comprende además analizar la raya (12) para determinar propiedades físicas de una muestra de material que se está sometiendo a ensayo.
13. 13. Método de ensayo de rayado según la reivindicación 11, que comprende además preparar la superficie (16) de muestra antes de formar la raya (12).
14. 14. Método de ensayo de rayado según la reivindicación 11, en el que la superficie (16) de muestra incluye una curvatura introducida al preparar la superficie (16) de muestra, comprendiendo además el método corregir la curvatura de la superficie (16) de muestra durante el movimiento del indentador (20) para formar la raya (12) y durante la medición.
15. 15. Método de ensayo de rayado según la reivindicación 11, que comprende además modificar una condición de la superficie (16) de muestra usando una herramienta guiada establecida para engancharse al material de muestra (16) y generar una curvatura predeterminada.