RU167852U1 - Устройство для измерения механических свойств материалов - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области измерения физико-механических, а также геометрических свойств материалов с использованием контактных зондовых методов, в частности к устройствам, предназначенным для измерения механических свойств и параметров топографии (линейные размеры структур и шероховатость) на субмикронном масштабе, в том числе на внутренней поверхности материалов. Устройство для измерения механических свойств материалов содержит пьезорезонатор в виде камертона с закрепленным на одном из стержней алмазным индентором, соединенным с блоком возбуждения и с блоком детектирования, а также снабженное оптическими датчиками перемещения. Пьезорезонатор закрепляют на упругом элементе, который в свою очередь закреплен на подвижном основании, размещенном на клинообразном элементе и закрепленном боковыми упругими креплениями, одно из которых соединено с Т-образным элементом, на одном из торцов которого закреплена сфера. Корпус устройства соединен жестким штоком с линейным транслятором, а клинообразный элемент соединен со стальным тросом в оплетке, размещенным внутри жесткого штока, с дополнительным линейным транслятором. Устройство снабжают дополнительным оптическим датчиком перемещения, расположенным напротив зазора между Т-образным элементом и подвижным основанием и закрепленным на корпусе устройства. Технический результат: возможность измерения локального значения твердости и модуля упругости, а также повышение скорости измерения данных величин. 3 ил.

Description

Устройство для измерения механических свойств материалов относится к области измерения физико-механических, а также геометрических свойств материалов с использованием контактных зондовых методов, в частности к устройствам, предназначенным для измерения механических свойств и параметров топографии (линейные размеры структур и шероховатость) на субмикронном масштабе.

Для измерения механических характеристик поверхности на субмикронном масштабе используют нанотвердомеры - приборы позволяющие измерять твердость и модуль упругости при помощи метода инструментального индентирования. В рамках данного метода в исследуемый материал внедряют наконечник, контролируя силу и перемещение. Измерение искомых механических величин производят на основе сигнала обусловленного перемещением индентора в поверхность, а также соответствующей зависимости силы, полученной в процессе нагружения. Для измерения линейных размеров контактными методами используют профилометры и сканирующие зондовые микроскопы. Информацию о рельефе получают в результате обработки сигналов вертикального и латерального положения зонда.

Известны сканирующие нанотвердомеры - устройства, совмещающие в себе функции сканирующих зондовых микроскопов, а также наноинденторов, позволяющие проводить измерения методом инструментального индентирования, а также измерять рельеф образца, используя для этого один и тот же зонд (патент US 6026677, МПК G01N 3/42, G01G 7/06, G01P 15/125, от 06.11.1997, патент ЕР 1178299 А1, МПК G01N 3/40, G01N 13/16 от 10.02.2000, патент RU 2442131 С1, МПК G01N 3/40 от 10.02.2012, патент US 5869751, МПК G01B 5/28, G01B 7/28 от 29.07.1997). Данные устройства содержат измерительную головку, а также позиционер, позволяющий изменять взаимное положение индентирующего острия и образца в процессе сканирования. Все вышеперечисленные устройства допускают измерение плоских образцов, ограниченных размеров, которые размещаются внутри измерительного прибора.

Известны приборы, допускающие измерения механических характеристик образцов внутри просвечивающих электронных микроскопов (патент US 7798011 В2, МПК G01B 7/16 от 07.02.2007, патент US 7363802 В2, МПК B23Q 17/09 от 12.05.2004, патент CN 103645199 А, МПК G01N 23/04, от 17.09.2013). Данные устройства обладают миниатюрными размерами и допускают возможность работы в ограниченных пространствах, однако не предполагают возможности контроля механических свойств внутренних поверхностей образцов.

Известно устройство для измерения физико-механических свойств материалов (патент RU 2425356, МПК G01N 3/40, приоритет от 18.11.2009), содержащее пьезоэлектрический стержень с двумя внешними и одним разделительным электродом, дополнительный пьезоэлектрический стержень образующий с другим стержнем камертонную конструкцию, индентор, размещенный на одном из концов стержня, схему возбуждения, схему детектирования и управляемый источник напряжения. Данное устройство является составной частью сканирующего нанотвердомера и его используют в качестве чувствительного элемента.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является устройство для измерения физико-механических свойств материалов (патент на полезную модель RU 160682 с приоритетом от 24 ноября 2015 г.), содержащее пьезорезонатор в виде камертона с закрепленным на одном из стержней алмазным индентором, соединенным с блоком возбуждения и с блоком детектирования, а также снабженным оптическим датчиком изгиба, отличающееся тем, что пьезорезонатор закрепляют в миниатюрном держателе, который закрепляют в штоке, который в свою очередь соединен с блоком линейных трансляторов, обеспечивающих его позиционирование в пространстве.

Устройство, описанное в патенте RU 160682, предназначено для измерения линейных профилей внутренних поверхностей различных изделий, для измерения отношения твердости к квадрату модуля упругости путем обработки сигналов силы и сдвига резонансной частоты колебаний зонда, полученных при внедрении наконечника в исследуемую поверхность.

Регистрация и контроль прикладываемого усилия позволяет реализовать метод склерометрии, при котором нанесенная с определенной нагрузкой царапина затем сканируется в режиме профилометрии с последующим вычислением твердости. В совокупности с дополнительным измерением отношения твердости к квадрату модуля упругости такой подход позволяет вычислить отдельно твердость и модуль упругости, однако, в таком случае затрачивается достаточно продолжительное время на проведение ряда измерений (царапания, профилирования, и дополнительного нагружения в точке с целью измерения отношения твердости к квадрату модуля упругости). Кроме того, полученный модуль упругости нельзя отнести к локальному месту нагружения, так как для его вычисления использововалась твердость, измеренная в другой области (области нанесения царапины).

Твердость и модуль упругости можно вычислить в рамках единичного нагружения, путем совместного анализа сигналов силы и глубины проникновения индентора в поверхность согласно методу инструментального индентирования, однако конструкция устройства, описанного в патенте RU 160682, не содержит датчика перемещения зонда в поверхность и не может быть использована для подобных измерений, так как глубина индентирования может быть рассчитана лишь косвенно и со значительной ошибкой. Наличие датчика силы и датчика перемещения иглы во время нагружения в поверхность позволило бы проводить измерения методом инструментального индентирования, позволяющего получать локальные значения твердости и модуля упругости в рамках единичного нагружения, без проведения дополнительных операций царапания и профилирования.

Задачей, на решение которой направлено данное техническое решение, является измерение локального значения твердости и модуля упругости, а также повышение скорости измерения данных величин.

Поставленная задача решается за счет того, что устройство для измерения механических свойств материалов, содержащее пьезорезонатор в виде камертона с закрепленным на одном из стержней алмазным индентором, соединенным с блоком возбуждения и с блоком детектирования, а также снабженное оптическими датчиками перемещения, причем пьезорезонатор закрепляют на упругом элементе, который в свою очередь закреплен на подвижном основании, размещенном на клинообразном элементе и закрепленном боковыми упругими креплениями, одно из которых соединено с Т-образным элементом, на одном из торцов которого закреплена сфера, причем корпус устройства соединен жестким штоком с линейным транслятором, а клинообразный элемент соединен с стальным тросом в оплетке, размещенным внутри жесткого штока, с дополнительным линейным транслятором; кроме того, устройство снабжают дополнительным оптическим датчиком перемещения, расположенным напротив зазора между Т-образным элементом и подвижным основанием и закрепленным на корпусе устройства.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является измерение сигнала силы и перемещения индентора в поверхность, с последующей обработкой данных согласно методу инструментального индентирования с целью получения значении твердости и модуля упругости в рамках единичного измерения, произведенного локально в одной точке поверхности. Кроме того, приведенная совокупность признаков также обеспечивает измерение линейных профилей поверхностей.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых изображена патентуемая полезная модель.

На фиг. 1 показана общая схема устройства, с измерительной головкой 1, линейным транслятором горизонтального перемещения 2, дополнительным линейным транслятором 3, жестким штоком 4, системой крепления штока 5, стальным тросом в оплетке 6, соединенным с дополнительным линейным транслятором 3, и проходящем внутри штока 4 от измерительной головки 1 до линейного транслятора горизонтального перемещения 2, блоком электроники 7, содержащий блок детектирования и блок возбуждения, а также компьютер 8.

На фиг. 2 показана схема измерительной головки 1, состоящей из камертона 9, центрального стержня данного камертона 10, боковых стержней камертона 11, 12, индентора 13, упругого элемента 14, закрепленного на подвижном основании 15. Подвижное основание 15 имеет боковые упругие крепления 16 и 17, соединяющие данную деталь с корпусом 18. Подвижное основание 15 распологают на клинообразном элементе 19, который в свою очередь распологают на корпусе 18 и соединяют со стальным тросом, выполненным в оплетке 6, предназначенным для втягивания данного клинообразного элемента 19. Упругое крепление 16 соединено с Т-образным элементом 20, на конце которого расположен лейкосапфировая сфера 21, которая в рамках представленной на фиг. 2 горизонтальной ориентации измерительной головки 1 находится несколько выше кончика индентора 13. На корпусе 18 измерительной головки 1 также расположены два оптических датчика перемещения 22 и 23, предназначеные для измерения ширины зазора между подвижным основанием 15 и Т-образным элементом 20, а также между подвижным основанием 14 и нижнем боковым стержнем камертона 12. Цифрами 24, 25 и 26, 27 обозначены лейкосапфировые шарики, находящиеся в углублении корпуса 18, цифрой 28 обозначена плата управления.

На фиг. 3 показано увеличенное изображение центральной части головки 1; на фигуре не изображены оптические датчики перемещения 22, 23, но показаны измеряемые ими зазоры 29 и 30.

Работа устройства в режиме инструментального индентирования осуществляется следующим образом: устройство вводят внутрь исследуемой полости образца, что может быть осуществлено, например, при помощи линейного транслятора 3, или дополнительного устройства, обеспечивающее данное перемещение. Во время движения внутри полости образца, а также во время индентирования устройство касается внутренней поверхности полости опорными элементами 24, 25, 26, 27, обеспечивающими повышенную жесткость при измерениях. За счет вытягивания стального троса в оплетке 6 относительно корпуса 18 клинообразный элемент 19 приводит в движение подвижное основание 15, при этом изгибаются упругие крепления 16 и 17. Вначале, в контакт с внутренней поверхностью полости приходит лейкосапфировая сфера 21, так как она расположена ближе индентора 13 к поверхности. Дальнейшее движение подвижного основания 15 приводит в контакт индентор 13, при этом углубление сферы 21 в поверхность пренебрежимо мало по сравнению с изменением ширины зазора 29, так как при контакте с твердым материалом большой радиус кривизны сферы 21 обеспечивает контактную жесткость, намного превышающую жесткость упругих креплений 16, 17. Таким образом, изменение ширины зазора 29, измеряемое оптическим датчиком перемещения 22, соответсвует перемещению подвижного основания 15. Прикладываемую к поверхности со стороны индентора 13 силу регистрируют при помощи оптического датчика 23 путем умножения зарегистрированного перемещения на жесткость упругого элемента 14. Углубление индентора в поверхность вычисляют путем вычитания сигнала перемещения оптического датчика 23 из сигнала оптического датчика 22. При увеличении нагрузки из данной величины также вычитают податливость всей конструкции, умноженную на приложенное значение силы. Полученные данные о глубине индентирования и приложенной силе используют для вычисления твердости и модуля упругости в соответствии с методом инструментального индентирования (ГОСТР 8.748-2011).

Работа устройства в режиме измерения профиля внутренней поверхности полости образца осуществляют следующим образом: устройство вводят внутрь исследуемой полости, что может быть осуществлено, например, при помощи линейного транслятора 3, или дополнительного устройства, обеспечивающее данное перемещение. Во время движения внутри полости устройство касается внутренней поверхности полости опорными элементами 24, 25, 26, 27, обеспечивающими повышенную жесткость устройства в направлении, перпендикулярном к исследуемой поверхности. В области измерения для контакта острия индентора с поверхностью полости осуществлют движение клиновидного элемента 19, подводящего индентор к данной поверхности. Сигнал с блока возбуждения поступает на один из боковых стержней 11, 12 камертона 9, возбуждая колебания данных стержней по направлению к поверхности полости образца. Резонансную частоту колебаний фиксируют блоком детектирования. За счет подачи напряжения на центральный пьезокерамический стержень 10 камертона 9 происходит движение индентора 13 к поверхности исследуемой полости. При касании поверхности происходит изменение резонансной частоты колебаний боковых стержней 11, 12 камертона 9, система обратной связи изменяет подаваемое на центральный стержень 10 напряжение, так чтобы сдвиг резонансной частоты колебаний оставался постоянным. Затем измерительную головку 1 перемещают вдоль поверхности, что может быть осуществлено, например, при помощи линейного транслятора 3. При этом сигнал перпендикулярного по отношению к поверхности перемещения камертонного элемента 9, зарегистрированный при помощи оптического датчика 23, соответствует профилю поверхности исследуемой полости.

Таким образом, наличие дополнительного оптического датчика 22, размещенного напротив щели 29, находящейся под дополнительным Т-образным элементом 20, имеющим на конце сферу и приводимым в контакт с измеряемой поверхностью полости образца, позволяет измерять перемещение индентора 13, что в свою очередь позволяет рассчитывать углубление, необходимое для измерений методом инструментального индентирования. Реализуемость метода инструментального индентирования обеспечивает локальность измерения модуля упругости, а также значительное уменьшение времени измерения твердости и модуля упругости, по сравнению с методами склерометрии и методом измерения отношения твердости к квадрату модуля упругости, доступными в устройстве, описанном в патенте RU 160682 в силу следующих причин.

Метод инструментального индентирования позволяет измерять локальные значения твердости и модуля упругости локально: в рамках нагружения-разгружения в одну точку исследуемой поверхность, в то время как в прототипе, описанном в патенте RU 160682, измерения по крайней мере измерения модуля упругости невозможно провести в одной точке: для этого необходимо измерить твердость методом склерометрии в одной области и дполонительно измерить отношение твердости к квадрату модуля упругости в другой точке.

Кроме того, измерения твердости методом инструментального происходят быстрее, чем измерения твердости методом склерометрии: так как при измерениях методом склерометрии в дополнению к нагружению и разгрузке индентора в исследуемый образец необходимо провести непосредственное перемещение с царапанием, а также дополнительно также измерить ширину или глубину царапины. Еще больше времени требуется прибору, описанном в патенте RU 160682, для измерения модуля упругости, так в это случае необходимо дополонительно измерить отношение твердости к квадрату модуля упругости.

Таким образом, описанное устройство решает поставленную задачу: измерение локального значения твердости и модуля упругости, а также повышение скорости измерения данных величин.

Claims (1)

1. Устройство для измерения механических свойств материалов, содержащее пьезорезонатор в виде камертона с закрепленным на одном из стержней алмазным индентором, соединенным с блоком возбуждения и с блоком детектирования, а также снабженное оптическими датчиками перемещения, отличающееся тем, что пьезорезонатор закрепляют на упругом элементе, который в свою очередь закреплен на подвижном основании, размещенном на клинообразном элементе и закрепленном боковыми упругими креплениями, одно из которых соединено с Т-образным элементом, на одном из торцов которого закреплена сфера, причем корпус устройства соединен жестким штоком с линейным транслятором, а клинообразный элемент соединен со стальным тросом в оплетке, размещенным внутри жесткого штока, с дополнительным линейным транслятором, кроме того, устройство снабжают дополнительным оптическим датчиком перемещения, расположенным напротив зазора между Т-образным элементом и подвижным основанием и закрепленным на корпусе устройства.

Images