RU2108561C1 - Gear measuring mechanical characteristics of materials - Google Patents

Gear measuring mechanical characteristics of materials Download PDF

Info

Publication number
RU2108561C1
RU2108561C1 RU96122115A RU96122115A RU2108561C1 RU 2108561 C1 RU2108561 C1 RU 2108561C1 RU 96122115 A RU96122115 A RU 96122115A RU 96122115 A RU96122115 A RU 96122115A RU 2108561 C1 RU2108561 C1 RU 2108561C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
resonator
rod
indenter
materials
gear
Prior art date
Application number
RU96122115A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU96122115A (en
Inventor
В.Н. Решетов
К.В. Гоголинский
Original Assignee
Закрытое акционерное общество "НТЕ"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Закрытое акционерное общество "НТЕ" filed Critical Закрытое акционерное общество "НТЕ"
Priority to RU96122115A priority Critical patent/RU2108561C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2108561C1 publication Critical patent/RU2108561C1/en
Publication of RU96122115A publication Critical patent/RU96122115A/en

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: proposed gear presents resonator in the form of bar made from piezomaterial on which indenter is put that is excited electrically on definite frequency. Resonator may be manufactured in the form of tuning fork. Adjusted voltage source is connected to resonator and is used to move and load indenter under action of backward piezoeffect. pressing of indenter against surface causes change of parameters of vibrations of resonator due to presence of losses of energy and additional rigidity in area of contact. These changes are recorded by means of detection circuit and are employed to determine characteristics of material. Gear may be used to measure mechanical characteristics of materials (modulus of elasticity, hardness) with submicron and nanomicron resolution. EFFECT: increased efficiency and accuracy of gear. 2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к технике контроля материалов и изделий и может быть использовано для измерения механических характеристик материалов (твердость, модуль упругости) с субмикронным и нанометровым разрешением. The invention relates to techniques for controlling materials and products and can be used to measure the mechanical characteristics of materials (hardness, elastic modulus) with submicron and nanometer resolution.

Известны устройства, реализующие акустический метод измерения механических характеристик материалов, основанный на механическом контакте индентора с поверхностью. Реализация ими данного метода заключается в следующем. Индентор колеблется с некоторой резонансной частотой и амплитудой. При контакте индентора с поверхностью исследуемого объекта частота и амплитуда колебаний изменяются в результате воздействия на резонансную систему со стороны материала в области контакта. По характеру этого изменения судят о механических характеристиках материала под индентором [1]. Known devices that implement the acoustic method of measuring the mechanical characteristics of materials based on the mechanical contact of the indenter with the surface. Their implementation of this method is as follows. The indenter oscillates with a certain resonant frequency and amplitude. When the indenter contacts the surface of the object under study, the frequency and amplitude of the oscillations change as a result of exposure to the resonant system from the side of the material in the contact area. The nature of this change judges the mechanical characteristics of the material under the indenter [1].

Однако, чувствительность известных приборов не позволяет измерять механические характеристики материалов при характерном размере площади контакта индентора с поверхностью меньше 0,5 мкм. Следовательно, такие приборы непригодны для измерения локальных механических характеристик современных твердых сплавов, тонких пленок, объектов микроэлектроники и т. д. However, the sensitivity of known devices does not allow measuring the mechanical characteristics of materials with a characteristic size of the contact area of the indenter with the surface of less than 0.5 microns. Therefore, such devices are unsuitable for measuring the local mechanical characteristics of modern hard alloys, thin films, microelectronics objects, etc.

Наиболее близким техническим решением предлагаемого устройства является устройство для измерения твердости, представляющее собой электроакустический резонатор в виде стержня, охваченного катушкой возбуждения, на конце которого на боковой поверхности закреплен индентор. Стержень выполнен составным, причем одна его половина выполнена из магнитострикционного материала. Резонансные колебания стержня возбуждаются при помощи цепи обратной связи, состоящей из пьезопреобразователя колебаний стержня, усилителя мощности и катушки возбуждения. К катушке возбуждения подключен выход управляемого источника постоянного тока. Воздействие на составной стержень магнитного поля, возникающего в результате протекания через катушку постоянного тока, вызывает его изгиб, что используется для внедрения индентора в поверхность образца [2]. The closest technical solution of the proposed device is a device for measuring hardness, which is an electro-acoustic resonator in the form of a rod covered by an excitation coil, at the end of which an indenter is fixed on the side surface. The rod is made integral, and one half of it is made of magnetostrictive material. The resonant oscillations of the rod are excited using a feedback circuit consisting of a piezoelectric transducer of the oscillations of the rod, a power amplifier and an excitation coil. The output of the controlled direct current source is connected to the excitation coil. The impact on the composite rod of the magnetic field arising from the flow of a direct current through the coil causes its bending, which is used to introduce the indenter into the surface of the sample [2].

Недостатком прототипа является использование эффекта магнитострикции для возбуждения колебаний и изгиба стержня. Это приводит к возникновению вихревых токов в стержне и его нагреву, что снижает чувствительность данного устройства и точность позиционирования индентора и поэтому не позволяет измерять механические параметры на субмикронных и нанометровых масштабах. The disadvantage of the prototype is the use of the magnetostriction effect to excite vibrations and bending of the rod. This leads to the appearance of eddy currents in the rod and its heating, which reduces the sensitivity of this device and the accuracy of the positioning of the indenter and therefore does not allow measuring the mechanical parameters at submicron and nanometer scales.

Задачей изобретения является повышение чувствительности устройства и точности позиционирования индентора. The objective of the invention is to increase the sensitivity of the device and the accuracy of the positioning of the indenter.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве, содержащем резонатор в виде стержня с закрепленным на нем индентором, соединенный со схемой возбуждения и измерительной схемой, резонатор выполнен из пьезоматериала и снабжен двумя внешними и одним разделительным электродом, причем один внешний и разделительный электроды подключены к схеме возбуждения и к управляемому источнику напряжения, а второй внешний электрод и разделительный электрод соединены со схемой детектирования, причем один конец стержня жестко закреплен в держателе. Кроме того, резонатор может быть выполнен в виде камертона и использовать эффект локализации акустических колебаний. Также резонатор может быть использован в качестве частотозадающего элемента схемы возбуждения и составлять с ней автогенератор. The problem is solved in that in a device containing a resonator in the form of a rod with an indenter fixed on it, connected to an excitation circuit and a measuring circuit, the resonator is made of piezomaterial and is equipped with two external and one separation electrode, with one external and separation electrodes connected to the circuit excitation and to a controlled voltage source, and the second external electrode and the separation electrode are connected to the detection circuit, and one end of the rod is rigidly fixed in the holder. In addition, the resonator can be made in the form of a tuning fork and use the effect of localization of acoustic vibrations. Also, the resonator can be used as a frequency-setting element of the excitation circuit and make up an oscillator with it.

На фиг. 1 показана общая схема устройства с резонатором в виде стержня; на фиг. 2 - резонатор в виде камертона; на фиг. 3 - изображение рельефа поверхности твердого сплава на основе BNk; на фиг. 4 - карта модуля упругости участка, выделенного на фиг. 3.In FIG. 1 shows a general diagram of a device with a rod-shaped resonator; in FIG. 2 - resonator in the form of a tuning fork; in FIG. 3 - image of the surface relief of a hard alloy based on BN k ; in FIG. 4 is a map of the elastic modulus of the portion highlighted in FIG. 3.

Устройство представляет собой стержень из пьезоматериала 1, состоящий из двух половин, имеющий два внешних электрода 2 и разделительный электрод 3. Один внешний электрод и разделительный электрод подключены к схеме возбуждения 4, вырабатывающей переменное напряжение определенной частоты и амплитуды. Электронная схема детектирования 5 осуществляет измерение амплитуды и фазы колебаний напряжения, возникающего на втором внешнем электроде в результате прямого пьезоэффекта. К одному из внешних электродов и разделительному электроду подключен выход управляемого источника постоянного напряжения 6. Один конец стержня жестко закреплен в держатель 7. На другом конце на боковой грани закреплен индентор 8. The device is a rod of piezomaterial 1, consisting of two halves, having two external electrodes 2 and a separation electrode 3. One external electrode and a separation electrode are connected to the excitation circuit 4, which generates an alternating voltage of a certain frequency and amplitude. The electronic detection circuit 5 measures the amplitude and phase of the voltage fluctuations arising on the second external electrode as a result of the direct piezoelectric effect. The output of a controlled constant voltage source 6 is connected to one of the external electrodes and the separation electrode. One end of the rod is rigidly fixed to the holder 7. At the other end, an indenter 8 is fixed on the side face.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

При помощи схемы возбуждения 4 в стержне 1 инициируют изгибные колебания путем подачи переменного напряжения на некоторой частоте. При этом амплитуду и фазу колебаний измеряют при помощи схемы детектирования 5 путем обработки электрического сигнала, возникающего в результате прямого пьезоэффекта. Затем систему, состоящую из держателя 7 и стержня 1 с индентором 8, устанавливают так, чтобы индентор 8 находился в непосредственной близости от исследуемой поверхности. Плавно изменяют напряжение на выходе управляемого источника 6. В результате действия обратного пьезоэффекта стержень 1 изгибается и перемещает индентор 8 к поверхности до касания. Касание фиксируют по скачкообразному изменению параметров колебаний стержня 1 (амплитуды или фазы), измеряемых схемой детектирования 5. Затем увеличивают изгибающее напряжение на выходе управляемого источника на заданную величину. Прижим индентора 8 к поверхности вызывает изменение параметров колебаний стержня 1 за счет наличия потерь энергии и дополнительной жесткости в области контакта. Эти изменения фиксируют при помощи схемы детектирования 5. По ним определяют характеристики материала, например твердость, модуль упругости и др. Using the excitation circuit 4 in the rod 1 initiate bending vibrations by applying an alternating voltage at a certain frequency. In this case, the amplitude and phase of the oscillations are measured using the detection circuit 5 by processing the electrical signal resulting from the direct piezoelectric effect. Then the system, consisting of a holder 7 and a rod 1 with an indenter 8, is installed so that the indenter 8 is in close proximity to the surface under study. The voltage at the output of the controlled source 6 is smoothly changed. As a result of the inverse piezoelectric effect, the rod 1 bends and moves the indenter 8 to the surface until it touches. The touch is fixed by an abrupt change in the oscillation parameters of the rod 1 (amplitude or phase), measured by the detection circuit 5. Then, the bending voltage at the output of the controlled source is increased by a predetermined value. The clamp of the indenter 8 to the surface causes a change in the vibration parameters of the rod 1 due to the presence of energy losses and additional rigidity in the contact area. These changes are fixed using the detection circuit 5. They determine the characteristics of the material, for example hardness, elastic modulus, etc.

Использование пьезорезонатора в качестве рабочего элемента твердомера позволяет существенно повысить чувствительность устройства. В то же время использование изгиба стержня за счет обратного пьезоэффекта позволяет позиционировать индентор над поверхностью с точностью до 0,1 нм. Эти особенности позволяют измерять механические характеристики материала на площадях субмикронного и нанометрового размера. Кроме того, чувствительность зонда позволяет измерять такой параметр материла, как модуль упругости, путем прижима индентора к поверхности без ее разрушения, что дает возможность контролировать готовые изделия, например, в микроэлектронике. The use of a piezoresonator as a working element of a hardness tester can significantly increase the sensitivity of the device. At the same time, the use of rod bending due to the inverse piezoelectric effect allows the indenter to be positioned above the surface with an accuracy of 0.1 nm. These features make it possible to measure the mechanical characteristics of the material in areas of submicron and nanometer size. In addition, the sensitivity of the probe makes it possible to measure such a material parameter as the elastic modulus by pressing the indenter to the surface without destroying it, which makes it possible to control finished products, for example, in microelectronics.

С целью уменьшения зависимости параметров колебаний резонатора от свойств держателя, уменьшения утечки колебательной энергии резонатора и, следовательно, повышения чувствительности и улучшения эксплуатационных свойств устройства, резонатор может быть изготовлен в форме камертона (фиг. 2). Известно, что в этом случае акустические колебания не проникают в "ножку" камертона и, следовательно, в держатель. In order to reduce the dependence of the oscillation parameters of the resonator on the properties of the holder, reduce the leakage of the vibrational energy of the resonator and, therefore, increase the sensitivity and improve the operational properties of the device, the resonator can be made in the form of a tuning fork (Fig. 2). It is known that in this case, acoustic vibrations do not penetrate the “leg” of the tuning fork and, therefore, into the holder.

Резонатор может быть использован как частотозадающий элемент схемы возбуждения. При этом электроакустическая система, состоящая из схемы возбуждения и резонатора представляет собой автогенератор и с помощью схемы детектирования определяют амплитуду и резонансную частоту колебаний. Известно, что при этом может быть достигнута максимальная чувствительность колебательной системы по частоте и амплитуде к привносимым воздействиям. The resonator can be used as a frequency-setting element of the excitation circuit. In this case, the electro-acoustic system, consisting of an excitation circuit and a resonator, is a self-oscillator and the amplitude and resonant frequency of the oscillations are determined using the detection circuit. It is known that in this case the maximum sensitivity of the oscillatory system in frequency and amplitude to the introduced influences can be achieved.

Устройство описанной конструкции было использовано в качестве зонда сканирующего зондового микроскопа (СЗМ). Использование стандартных методов сканирующей зондовой микроскопии позволило получать изображения поверхностей, соответствующих одинаковому значению механических параметров в области контакта индентора. Принципиально новой является возможность получения карт механических свойств поверхностей с горизонтальным разрешением 10 нм. Такие исследования были проведены при изучении структуры композиционного материала карнибор, состоящего из кристаллов BNk и металлической матрицы на основе Ti, полученного в камере высокого давления. Процедура исследования состояла в следующем. Образец карнибора помещался в держатель механизма сканирования СЗМ. Зонд, выполненный в виде описанного устройства, подводили к поверхности образца с помощью микролифта СЗМ до касания индентора 8 с поверхностью. Амплитуда колебаний балки 1 при этом была равна 10 нм, частота 12 кГц. Касание фиксировали по изменению параметров колебаний стержня 1 (амплитуды или частоты), измеряемых схемой детектирования 5. Затем, увеличивая изгибающее напряжение на выходе управляемого источника 6 на заданную величину, прижимали индентор 8 к поверхности, уменьшая тем самым амплитуду колебаний стержня 1 до заданного значения за счет наличия потерь энергии в области контакта. После этого образец перемещали в горизонтальной плоскости с помощью механизма сканирования СЗМ так, чтобы происходило построчное сканирование его поверхности индентором 8 на площади 15х15 мкм. В процессе сканирования меняли изгиб стержня 1, изменяя напряжение на выходе управляемого источника 6 так, чтобы амплитуда колебаний стержня 1 оставалась постоянной. При этом измеряли и фиксировали значения напряжения на выходе управляемого источника 6 и значения изменения частоты колебаний балки 1. Значения напряжения на выходе управляемого источника 6 использовали для построения изображения рельефа поверхности (Фиг. 3). Значения изменения частоты колебаний балки 1 использовали для построения карты изменения модуля упругости (E), т. к. частота является функцией привносимой упругости в точке контакта. На фиг. 4 представлена карта изменения модуля упругости участка, выделенного на фиг. 3. Более светлые области соответствуют большему значению модуля упругости, темные - меньшему. Этот участок представляет собой переходную область между кристаллом BNk и металлической матрицей.The device of the described construction was used as a probe of a scanning probe microscope (SPM). Using standard methods of scanning probe microscopy, it was possible to obtain images of surfaces corresponding to the same value of mechanical parameters in the contact area of the indenter. Fundamentally new is the ability to obtain maps of the mechanical properties of surfaces with a horizontal resolution of 10 nm. Such studies were carried out to study the structure of the carnibor composite material, consisting of BN k crystals and a Ti-based metal matrix obtained in a high-pressure chamber. The research procedure was as follows. A carnibre sample was placed in the holder of the SPM scanning mechanism. The probe, made in the form of the described device, was brought to the surface of the sample using an SPM microlift until the indenter 8 touched the surface. The amplitude of the beam 1 was equal to 10 nm, the frequency of 12 kHz. The touch was fixed by changing the parameters of the oscillations of the rod 1 (amplitude or frequency), measured by the detection circuit 5. Then, increasing the bending voltage at the output of the controlled source 6 by a predetermined value, pressed the indenter 8 to the surface, thereby reducing the amplitude of the oscillations of the rod 1 to a predetermined value in due to the presence of energy loss in the contact area. After that, the sample was moved in the horizontal plane using the SPM scanning mechanism so that line-by-line scanning of its surface by indenter 8 took place over an area of 15 × 15 μm. During the scan, the bending of the rod 1 was changed, changing the voltage at the output of the controlled source 6 so that the amplitude of the oscillations of the rod 1 remained constant. In this case, the voltage values at the output of the controlled source 6 and the values of the change in the oscillation frequency of the beam 1 were measured and recorded. The voltage values at the output of the controlled source 6 were used to construct an image of the surface topography (Fig. 3). The values of the change in the frequency of oscillations of the beam 1 were used to construct a map of changes in the elastic modulus (E), since the frequency is a function of the introduced elasticity at the point of contact. In FIG. 4 presents a map of changes in the modulus of elasticity of the portion highlighted in FIG. 3. The lighter regions correspond to a larger value of the elastic modulus, darker regions correspond to a smaller value. This region represents the transition region between the BN k crystal and the metal matrix.

Чувствительность зонда к механическим параметрам позволила различать не только различные материалы, но и дислокации в решетках кристаллов. Полученные данные согласуются с результатами электронной микроскопии. Кроме того, простота прибора и малое время измерения позволяют рекомендовать его для оценки качества изделий из сложных композиционных материалов в условиях производства. The sensitivity of the probe to mechanical parameters made it possible to distinguish not only various materials, but also dislocations in crystal lattices. The data obtained are consistent with the results of electron microscopy. In addition, the simplicity of the device and the short measurement time allow us to recommend it for assessing the quality of products from complex composite materials in the production environment.

Claims (3)

1. Устройство для измерения механических параметров материалов, содержащее резонатор в виде стержня, индентор, размещенный на одном из концов стержня, держатель, в котором укреплен другой конец стержня, схему возбуждения и схему детектирования, отличающееся тем, что в него введены управляемый источник напряжения, а стержень выполнен пьезоэлектрическим с двумя внешними и одним разделительным электродами, при этом один внешний электрод и разделительный электрод соединены со схемой возбуждения и управляемым источником напряжения, а второй внешний электрод и разделительный электрод подключены к схеме детектирования. 1. A device for measuring the mechanical parameters of materials, containing a resonator in the form of a rod, an indenter located at one end of the rod, a holder in which the other end of the rod is mounted, an excitation circuit and a detection circuit, characterized in that a controlled voltage source is introduced into it, and the rod is made piezoelectric with two external and one separation electrode, while one external electrode and the separation electrode are connected to the excitation circuit and a controlled voltage source, and the second the outer electrode and the separating electrode are connected to the detection circuit. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительным стержнем с электродами, аналогичным основанному стержню, с аналогично подключенными его электродами и соединенным одним концом с основным стержнем в месте его крепления в держателе, образуя совместно с ним камертон. 2. The device according to claim 1, characterized in that it is equipped with an additional rod with electrodes similar to the main rod, with its electrodes connected in the same way and connected at one end to the main rod at the place of its fastening in the holder, forming a tuning fork with it. 3. Устройство по пп.1 и/или 2, отличающееся тем, что резонатор дополнительно подключен к схеме возбуждения в качестве частотозадающего элемента и составляет с ней автогенератор. 3. The device according to claims 1 and / or 2, characterized in that the resonator is additionally connected to the excitation circuit as a frequency-setting element and constitutes an oscillator with it.
RU96122115A 1996-11-18 1996-11-18 Gear measuring mechanical characteristics of materials RU2108561C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU96122115A RU2108561C1 (en) 1996-11-18 1996-11-18 Gear measuring mechanical characteristics of materials

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU96122115A RU2108561C1 (en) 1996-11-18 1996-11-18 Gear measuring mechanical characteristics of materials

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2108561C1 true RU2108561C1 (en) 1998-04-10
RU96122115A RU96122115A (en) 1998-09-10

Family

ID=20187371

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU96122115A RU2108561C1 (en) 1996-11-18 1996-11-18 Gear measuring mechanical characteristics of materials

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2108561C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015094007A1 (en) * 2013-12-18 2015-06-25 Schlumberger Holdings Limited Method for determining mechanical properties of a material
RU2731037C1 (en) * 2019-10-23 2020-08-28 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН) Device for determining roughness, micromechanical and tribotechnical properties of surface material of articles

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015094007A1 (en) * 2013-12-18 2015-06-25 Schlumberger Holdings Limited Method for determining mechanical properties of a material
RU2626067C1 (en) * 2013-12-18 2017-07-21 Шлюмберже Текнолоджи Б.В. Method of determining mechanical properties of material
US9897522B2 (en) 2013-12-18 2018-02-20 Schlumberger Technology Corporation Method for determining mechanical properties of a material
RU2731037C1 (en) * 2019-10-23 2020-08-28 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН) Device for determining roughness, micromechanical and tribotechnical properties of surface material of articles

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5319977A (en) Near field acoustic ultrasonic microscope system and method
JP2730673B2 (en) Method and apparatus for measuring physical properties using cantilever for introducing ultrasonic waves
JPH0626855A (en) Interatomic power microscope
JPS63309803A (en) Interatomic power microscope
Kim et al. Eigenmodes of a quartz tuning fork and their application to photoinduced force microscopy
Su et al. A bimorph based dilatometer for field induced strain measurement in soft and thin free standing polymer films
CN102495238B (en) Sixth harmonic imaging system based on tapping mode atomic force microscope
JPWO2008029562A1 (en) Atomic force microscope
JP4960347B2 (en) Higher order harmonic atomic force microscope
US6078174A (en) Apparatus for measuring exchange force
RU2108561C1 (en) Gear measuring mechanical characteristics of materials
US20220291302A1 (en) Measuring device for weak and slowly changing magnetic fields, in particular for biomagnetic fields
JP2005106786A (en) Scanning type probe microscope
US6305226B1 (en) Method and apparatus for imaging acoustic fields in high-frequency acoustic resonators
KR100284984B1 (en) Method of measuring exchange force and method of evaluating magnetism using the exchange force
Enders et al. Lorentz‐force‐induced excitation of cantilevers for oscillation‐mode scanning probe microscopy
Decca et al. Mechanical oscillator tip-to-sample separation control for near-field optical microscopy
JP3376374B2 (en) Method of creating image of sample surface in probe microscope
Strozewski et al. High-frequency surface-displacement detection using an STM as a mixer-demodulator
SU1597687A1 (en) Device for measuring hardness
US11402405B2 (en) Frequency tracking for subsurface atomic force microscopy
JP2013002944A (en) Method for detecting vibrational component and atomic force microscope
RU2193769C2 (en) Method measuring characteristics of surface magnetic field with use of scanning sounding microscope
JP3026138B2 (en) Magnetic force microscope
JPH08233837A (en) Proximity ultrasonic microscope