RU2475720C2

RU2475720C2 - Evaluation method of activation energy of plastic deformation of surface layer, and portable sclerometer for its implementation

Info

Publication number: RU2475720C2
Application number: RU2010153396/28A
Authority: RU
Inventors: Максим Владимирович Ненашев; Владимир Васильевич Калашников; Дмитрий Анатольевич Деморецкий; Родион Михайлович Богомолов; Ильдар Дугласович Ибатуллин; Илья Владимирович Нечаев; Андрей Николаевич Журавлев; Андрей Юрьевич Мурзин; Сергей Юрьевич Ганигин; Константин Петрович Якунин; Ольга Анатольевна Кобякина; Александр Анатольевич Чеботаев; Павел Викторович Рогожин; Арсений Владимирович Утянкин; Тамара Александровна Шашкина; Роза Рустямовна Неяглова; Елена Александровна Трофимова
Priority date: 2010-12-24
Filing date: 2010-12-24
Publication date: 2013-02-20
Also published as: RU2010153396A

Abstract

FIELD: measurement equipment.

SUBSTANCE: portable sclerometer is installed on the investigated surface. Three actions of portable sclerometer are performed per one action of the operator: lowering of indenter to the tested surface, introduction of indenter to surface layer to the specified depth and scratching of material of surface layer with the indenter. Activation energy of plastic deformation of that layer is calculated as per deformation characteristics. Before the indenter is introduced, basing element is pressed against the tested surface; then, basing element is diverted from the surface and scratching of the surface layer with the indenter is performed at the specified depth so that the scratch can pass through the contact point of basing element and the surface, and tangential force is evaluated at the same point. Sclerometer includes indenter, tangential force sensor, indenter's moving mechanism, basing element providing the constancy of value of the indenter's introduction to the tested surface. Tangential force sensor includes peak detector, and basing element has the possibility of being moved together with the indenter along the arc. Rotation centres of basing element and indenter coincide, and distances from rotation centre to the top of indenter and support part of basing element differs by the value equal to the required depth of the surface scratching.

EFFECT: enlarging technical capabilities and improving the accuracy of obtained results.

2 cl, 5 dwg

Description

Область применения изобретения - механика разрушения материалов, а именно безобразцовый контроль фактического состояния материалов при эксплуатации. Они могут быть использованы в полевых условиях, а также в лабораториях материаловедения и ресурса при контроле технического состояния объектов промышленности.The scope of the invention is the mechanics of the destruction of materials, namely, modelless control of the actual state of materials during operation. They can be used in the field, as well as in laboratories of materials science and resources for monitoring the technical condition of industrial facilities.

Известен аналогичный способ исследования энергии активации пластической деформации материала поверхностного слоя [1]. В данном способе поверхность выбранного материала сначала подготавливают к испытаниям путем удаления верхнего дефектного и окисленного слоя, не отражающего фактические свойства материала, например, путем шлифования, полировки, доводки, травления и т.п.При этом одновременно выравнивают (уменьшают волнистость и шероховатость) локальный участок поверхности. Если необходимо оценить свойства материала трущихся поверхностей, то деталь перед испытаниями прирабатывают на машине трения в режимах, соответствующих эксплуатационным. Затем на поверхность опускают индентор, например алмазную пирамиду Виккерса, или любой другой с углом при вершине, обеспечивающим пластическое оттеснение более мягкого материала при склерометрировании без микрорезания, т.е. без образования стружки. Внедряют вершину индентора, закрепленного на упругой подвеске, в поверхностный слой на заданную глубину, например на 5 мкм. Далее, выполняют тангенциальное перемещение заглубленного индентора (царапание) на определенное расстояние, например на 500 мкм, со скоростью, исключающей возникновение динамических эффектов, например, со скоростью 50 мкм/с. Причем на протяжении всего пропахивания материала поверхностного слоя глубину внедрения индентора сохраняют постоянной, обеспечивая этим условие постоянства количества вытесняемого материала. Одновременно с царапанием оценивают силу царапания F_τ, например, при помощи тензодатчика, полученные данные передают и сохраняют в памяти контроллера. Далее индентор поднимают и опускают на новый участок испытываемой поверхности, где вновь повторяют операцию склерометрирования. Таким образом, склерометрирование повторяют определенное количество раз, требуемое для обеспечения необходимой точности измерений силы царапания. Затем при помощи контроллера усредняют экспериментальные данные и рассчитывают энергию активации поверхностного слоя как отношение измеренной и усредненной силы царапания на площадь поперечного сечения образуемой борозды, которая заранее рассчитывается исходя из геометрии вершины индентора и величины его заглубления при испытаниях и сохраняется в памяти микроконтроллера. Расчет энергии активации производится по формулеThere is a similar method for studying the activation energy of plastic deformation of the material of the surface layer [1]. In this method, the surface of the selected material is first prepared for testing by removing the upper defective and oxidized layer that does not reflect the actual properties of the material, for example, by grinding, polishing, lapping, etching, etc. At the same time, the local level (reduce waviness and roughness) surface area. If it is necessary to evaluate the properties of the material of the rubbing surfaces, then the part is run in on a friction machine before testing in the modes corresponding to the operational ones. Then, an indenter is lowered onto the surface, for example, the Vickers diamond pyramid, or any other with an apex angle that provides plastic displacement of the softer material during sclerometry without micro cutting, i.e. without chip formation. Embed the top of the indenter, mounted on an elastic suspension, in the surface layer to a predetermined depth, for example, 5 microns. Next, perform the tangential movement of the buried indenter (scratching) a certain distance, for example 500 microns, at a speed that excludes the occurrence of dynamic effects, for example, at a speed of 50 microns / s. Moreover, throughout the entire plowing of the material of the surface layer, the depth of penetration of the indenter is kept constant, thereby ensuring the condition of constant amount of displaced material. Simultaneously with scratching, the scratching force F _{τ is} evaluated, for example, using a strain gauge, the obtained data is transmitted and stored in the controller memory. Next, the indenter is raised and lowered to a new area of the test surface, where the sclerometry operation is repeated. Thus, sclerometry is repeated a certain number of times required to ensure the necessary accuracy of the scratching force measurements. Then, with the help of the controller, the experimental data are averaged and the activation energy of the surface layer is calculated as the ratio of the measured and averaged scratching forces to the cross-sectional area of the formed furrow, which is preliminarily calculated based on the indenter tip geometry and its penetration during testing and stored in the microcontroller. Calculation of activation energy is performed according to the formula

где F_τ - сила царапания, Н; V_m - молярный объем материала поверхностного слоя, мм³/моль; h - глубина внедрения индентора, мкм.where F _τ is the scratching force, N; V _m is the molar volume of the material of the surface layer, mm ³ / mol; h - indenter penetration depth, microns.

Недостатком описанного способа является трудность точной оценки глубины внедрения индентора h, поскольку опускание индентора на поверхность сопряжено с вибрацией упругой подвески, на которой он закреплен, что вызовет деформирование исследуемой поверхности в момент касания с индентором. Это приводит к появлению начального «паразитного» заглубления, вносящего погрешность в оценку величины h. Кроме того, на поверхностях со сложным профилем невозможно гарантировать постоянство глубины внедрения индентора в поверхностный слой на всей длине царапины.The disadvantage of the described method is the difficulty of accurately assessing the depth of penetration of the indenter h, since lowering the indenter to the surface is associated with the vibration of the elastic suspension on which it is fixed, which will cause deformation of the investigated surface at the moment of contact with the indenter. This leads to the appearance of an initial “parasitic" deepening, introducing an error in the estimation of the value of h. In addition, on surfaces with a complex profile, it is impossible to guarantee a constant depth of penetration of the indenter into the surface layer over the entire length of the scratch.

В качестве прототипа выбран способ, описанный в монографии [2], заключающийся в том, что за одно движение оператора последовательно осуществляют три действия склерометрического модуля: 1) индентор плавно опускается к исследуемой поверхности; 2) индентор внедряется в поверхностный слой на заданную глубину, причем глубина внедрения индентора определяется взаимным расположением вершины индентора и опорной части базирующего элемента; 3) индентор пропахивает поверхность на заданное расстояние и с постоянной глубиной внедрения и в процессе царапания определяется сила царапания. Постоянство глубины внедрения индентора при царапании обеспечивается базированием положения индентора за счет прижатия опорной части базирующего элемента к исследуемой поверхности и далее при царапании, одновременным перемещением по исследуемой поверхности базирующего элемента (шайбы с отверстием) и индентора, вершина которого выступает относительно опорной части базирующего элемента на требуемую величину h. Энергия активации пластической деформации рассчитывается блоком обработки информации по формуле (1).As a prototype, the method described in the monograph [2] was chosen, which consists in the fact that for one movement of the operator three actions of the sclerometric module are carried out sequentially: 1) the indenter gradually descends to the surface under investigation; 2) the indenter is embedded in the surface layer to a predetermined depth, and the indenter penetration depth is determined by the relative position of the indenter vertex and the supporting part of the basing element; 3) the indenter plows the surface at a predetermined distance and with a constant penetration depth and in the process of scratching, the scratching force is determined. The depth of penetration of the indenter during scratching is ensured by basing the position of the indenter by pressing the supporting part of the base element to the surface under investigation and then by scratching, while simultaneously moving the base element (washer with hole) along the studied surface and the indenter, the apex of which protrudes relative to the supporting part of the base element to the required the value of h. The activation energy of plastic deformation is calculated by the information processing unit according to the formula (1).

Недостатком способа-прототипа является невозможность точной оценки глубины внедрения индентора в поверхностный слой при царапании вследствие того, что на реальных поверхностях принципиально невозможно одновременно базировать положение индентора и производить царапание поверхности с гарантированной глубиной внедрения вершины индентора относительно уровня, задаваемого опорной частью базирующего элемента. Это обусловлено тем, что уровень расположения опорной части базирующего элемента не совпадает с реальным уровнем исследуемой поверхности в области царапания из-за наличия шероховатости и др. неровностей.The disadvantage of the prototype method is the inability to accurately assess the depth of penetration of the indenter into the surface layer when scratching due to the fact that it is fundamentally impossible to simultaneously base the position of the indenter on real surfaces and to scratch the surface with a guaranteed penetration depth of the indenter tip relative to the level specified by the supporting part of the base element. This is due to the fact that the level of location of the supporting part of the base element does not coincide with the real level of the investigated surface in the area of scratching due to the presence of roughness and other irregularities.

Аналогом заявляемого устройства является маятниковый склерометр СТ-6 [3], содержащий основание, маятник, в поперечной прорези головки которого установлен твердосплавный индентор, производящий царапание по верхней поверхности образца, подъемный столик, фигурный столик с базовой поверхностью, пусковое и стопорное устройства, индикаторную головку и эксцентрик для измерения угла отклонения маятника. При рабочем ходе маятника пирамидальный индентор передней гранью прорезает в образце царапину-лунку стандартной длины 4 мм. Глубина образованной лунки определяется величиной заступа вершины индентора относительно базовой поверхности фигурного столика, к которой винтом прижимается испытуемый образец.An analogue of the claimed device is a pendulum sclerometer ST-6 [3], containing a base, a pendulum, in the transverse slot of the head of which there is a carbide indenter scratching along the upper surface of the sample, a lifting table, a figured table with a base surface, a starting and locking device, an indicator head and an eccentric for measuring the angle of deviation of the pendulum. During the working stroke of the pendulum, the pyramidal indenter cuts a scratch-hole in the sample with a front face of a standard length of 4 mm. The depth of the formed hole is determined by the magnitude of the spacing of the indenter top relative to the base surface of the curved table, to which the test sample is pressed with a screw.

Недостаток данной конструкции заключается в том, что результаты испытаний находятся в сильной зависимости от наличия геометрических отклонений профиля образцов (выпуклости, вогнутости, волнистости, шероховатости и т.п.), что может привести к значительному разбросу количества вещества, вытесненного из лунок, даже несмотря на предварительную притирку испытуемой поверхности на чугунной плите. А оценка поправки к результатам испытаний, учитывающей неровности поверхности образца, требует дополнительного усложнения методики испытаний. Кроме того, аналогичный склерометр является достаточно громоздким, тяжелым и не приспособленным для безобразцовой оценки состояния материалов.The disadvantage of this design is that the test results are highly dependent on the presence of geometric deviations of the profile of the samples (convexity, concavity, waviness, roughness, etc.), which can lead to a significant spread in the amount of substance displaced from the holes, even despite on preliminary grinding of the test surface on a cast-iron plate. And the assessment of the correction to the test results, taking into account the roughness of the sample surface, requires additional complication of the test procedure. In addition, a similar sclerometer is rather bulky, heavy and not suitable for an exemplary assessment of the condition of materials.

В качестве прототипа выбран склерометр, описанный в монографии [2]. Он содержит корпус с магнитной опорой в виде трех заделанных в основание постоянных магнитов и трех базирующих винтов для фиксации склерометра на исследуемой поверхности. В центральное отверстие корпуса вставляется датчик, состоящий из базирующей втулки, измерительного стержня, к лыскам которого приклеены тензодатчики, а в нижней части прикреплен индентор. В центральное отверстие корпуса вставляется базирующая втулка, связанная с одним концом датчика касательной силы (измерительного стержня, к лыскам которого приклеены тензорезисторы), другой конец датчика касательной силы связан с индентором. Вершина индентора выступает относительно нижнего торца базирующей втулки (опорной части) на заданное расстояние, соответствующее требуемой глубине пропахивания материала (единицы микрометров). К лыскам базирующей втулки с одной стороны прикреплены две плоскопараллельные пружины, а с другой - клин. На корпус надета кнопка таким образом, чтобы прикрепленный к ее внутренней поверхности ответный клин вошел в паз корпуса и соприкоснулся с клином датчика. Сверху к измерительному стержню прикреплен регулировочный винт, обеспечивающий подъем датчика с кнопкой относительно корпуса в нерабочем состоянии модуля в верхнее положение, задаваемое ограничительным винтом за счет компенсационной пружины, опирающейся нижней частью на планку, жестко прикрепленную к корпусу. Склерометр связан с блоком обработки информации, включающим автономную переносную микроконтроллерную систему сбора данных, обеспечивающую предварительную обработку и передачу экспериментальных результатов посредством СОМ порта в базу данных персонального компьютера. К достоинствам склерометра-прототипа относится то, что его применение требует для определения энергии активации пластической деформации поверхностного слоя оценки лишь одного параметра царапания - касательной силы при пропахивании поверхностного слоя, что делает склерометр более легким и дешевым и позволяет получить ручное малогабаритное переносное устройство для экспрессной оценки энергии активации разрушения поверхностного слоя, в том числе в полевых условиях на работающем оборудовании.The sclerometer described in the monograph [2] was selected as a prototype. It contains a housing with a magnetic support in the form of three permanent magnets embedded in the base and three base screws for fixing the sclerometer on the surface under study. A sensor is inserted into the central hole of the housing, consisting of a base sleeve, a measuring rod, to the flats of which strain gauges are glued, and an indenter is attached at the bottom. A basing sleeve is inserted into the central hole of the housing, connected to one end of the tangent force sensor (measuring rod with strain gages glued to the flats), the other end of the tangent force sensor is connected to the indenter. The top of the indenter protrudes relative to the lower end of the base sleeve (support part) by a predetermined distance corresponding to the required depth of plowing of the material (units of micrometers). Two flat-parallel springs are attached to the flanges of the base sleeve on one side, and a wedge on the other. A button is put on the case in such a way that the response wedge attached to its inner surface enters the groove of the case and touches the sensor wedge. An adjustment screw is attached to the measuring rod at the top, which enables the sensor to be lifted with the button relative to the housing in the inoperative state of the module to the upper position, which is set by the restriction screw due to the compensation spring resting the lower part on a bar fixed to the housing. The sclerometer is connected to an information processing unit, including an autonomous portable microcontroller data acquisition system that provides preliminary processing and transmission of experimental results via the COM port to a personal computer database. The advantages of the prototype sclerometer include the fact that its application requires only one scratching parameter to be evaluated for determining the activation energy of plastic deformation of the surface layer — the tangential force when plowing the surface layer, which makes the sclerometer easier and cheaper and allows to obtain a hand-held small-sized portable device for rapid assessment activation energy of destruction of the surface layer, including in the field on operating equipment.

Недостатком склерометра-прототипа является то, что участки исследуемой поверхности, относительно которых осуществляется базирование положения индентора, не совпадают с участком, где производится деформирование поверхности и измеряется сила царапания. Это приводит к погрешностям оценки глубины внедрения индентора в исследуемую поверхность при царапании в результате наличия естественных микронеровностей на исследуемой поверхности. Кроме того, контакт двух плоских шероховатых поверхностей, которыми являются опорная часть базирующей втулки и исследуемая поверхность, предполагает наличие случайно расположенных фактических пятен контакта, создающих неопределенность взаимного расположения контактирующих поверхностей, что может сказаться на точности измерений глубины царапания.The disadvantage of the sclerometer prototype is that the sections of the test surface relative to which the indenter position is based do not coincide with the plot where the surface is deformed and the scratching force is measured. This leads to errors in estimating the depth of penetration of the indenter into the test surface during scratching as a result of the presence of natural microroughnesses on the test surface. In addition, the contact of two flat rough surfaces, which are the supporting part of the base sleeve and the test surface, suggests the presence of randomly located actual contact spots, creating uncertainty in the relative position of the contacting surfaces, which may affect the accuracy of scratching depth measurements.

Технический результат настоящего изобретения, достигаемый заявленными способом и устройством, заключается в расширении их технических возможностей и повышении точности получаемых результатов.The technical result of the present invention, achieved by the claimed method and device, is to expand their technical capabilities and increase the accuracy of the results.

Технический результат достигается тем, что на исследуемую поверхность устанавливают переносной склерометр, затем выполняют деформирование поверхностного слоя образцов индентором, при этом за одно действие оператора производят три действия переносного склерометра: опускание индентора к испытываемой поверхности, внедрение индентора в поверхностный слой на заданную глубину и царапание материала поверхностного слоя индентором, далее по характеристикам деформирования рассчитывают энергию активации пластической деформации этого слоя. Перед внедрением индентора базирующий элемент прижимают к исследуемой поверхности, затем базирующий элемент отводят от поверхности и производят царапание поверхностного слоя индентором на заданной глубине так, чтобы царапина проходила через точку касания базирующего элемента с поверхностью и в этой же точке оценивают касательную силу. Переносной склерометр для осуществления разработанного способа, содержащий индентор, датчик касательной силы, механизм перемещения индентора, базирующий элемент, обеспечивающий постоянство величины внедрения индентора в исследуемую поверхность, при этом датчик касательной силы содержит пиковый детектор, а базирующий элемент имеет возможность перемещаться вместе с индентором по дуге, причем центры вращения базирующего элемента и индентора совпадают, а расстояния от центра вращения до вершины индентора и опорной части базирующего элемента отличаются на величину, равную требуемой глубине царапания поверхности.The technical result is achieved by the fact that a portable sclerometer is installed on the test surface, then the surface layer of the samples is deformed by the indenter, and in one operation the operator performs three actions of the portable sclerometer: lowering the indenter to the test surface, introducing the indenter into the surface layer to a predetermined depth and scratching the material the surface layer by the indenter, then the activation energy of plastic deformation of this layer is calculated from the deformation characteristics . Before the indenter is introduced, the base element is pressed against the surface to be examined, then the base element is removed from the surface and the surface layer is scratched by the indenter at a predetermined depth so that the scratch passes through the point of contact of the base element with the surface and the tangent is evaluated at the same point. A portable sclerometer for implementing the developed method, comprising an indenter, a tangent force sensor, an indenter movement mechanism, a basing element ensuring a constant value of the indenter penetration into the test surface, while the tangent force sensor contains a peak detector, and the basing element has the ability to move along the indenter along an arc moreover, the centers of rotation of the basing element and the indenter coincide, and the distances from the center of rotation to the top of the indenter and the supporting part of the basing electric The capacities differ by an amount equal to the required depth of surface scratching.

Сущность заявленного изобретения заключается в следующих технических решениях.The essence of the claimed invention lies in the following technical solutions.

1) В процессе выполнения операции базирования предлагается реализовать точечный контакт опорной поверхности базирующего элемента с исследуемой поверхностью. Это позволит внести однозначность в определение места фактического контакта базирующего элемента с исследуемой поверхностью независимо от профиля поверхности для возможности последующего гарантированного пропахивания поверхностного слоя в этом месте на заданной глубине. Для этого опорные части базирующего элемента предлагается выполнить в виде дуги (фиг.1), образованной вершиной кромки базирующего элемента. Таким образом, базирование осуществляют путем прижатия к исследуемой поверхности дугообразной кромки базирующего элемента, при котором между ними формируется точечный контакт.1) In the process of performing the basing operation, it is proposed to realize the point contact of the supporting surface of the basing element with the investigated surface. This will make it possible to unambiguously determine the place of actual contact of the base element with the investigated surface, regardless of the surface profile, so that the subsequent guaranteed plowing of the surface layer in this place at a given depth is possible. For this, the supporting parts of the basing element are proposed to be made in the form of an arc (Fig. 1) formed by the apex of the edge of the basing element. Thus, basing is carried out by pressing against the surface of the arcuate edge of the base element, at which a point contact is formed between them.

2) Операции базирования и царапания предлагается осуществлять последовательно на одном и том же участке поверхности. Это позволит гарантировать постоянство глубины царапания поверхности и соответственно обеспечивать более точную оценку энергии активации пластической деформации поверхностного слоя. Для этого царапание поверхности предлагается осуществлять вершиной индентора по дуге радиусом r_u (фиг.1) за счет маятникового движения. Причем вместе с индентором одновременно приводится в движение и базирующий элемент, опорная часть (дугообразная кромка) которого описывает дугу радиусом r_K. При этом должны быть обеспечены следующие условия: а) оси вращения индентора и базы должны совпадать, что обеспечит постоянство расстояния между траекториями перемещений опорной части базирующего элемента и вершины индентора; б) радиус вращения вершины индентора r_u превышает радиус вращения базы r_к на величину, равную требуемой глубине внедрения индентора h при царапаний, причем имеется возможность регулировать значение r_u с помощью механизма регулировки положения индентора; в) плоскости вращения вершины индентора и базы совпадают, что обеспечивает прохождение траектории царапания через точку контакта базы с исследуемой поверхностью; г) радиус дуги, формирующей опорную часть базирующего элемента, совпадает с величиной r_к, что обеспечивает одинаковые условия базирования в любой точке опорной части базирующего элемента. Таким образом, вышеперечисленные условия гарантируют обеспечение строго заданной максимальной глубины царапины, сформированной в виде лунки. Причем максимальная глубина лунки при царапании будет расположена в месте контакта опорной части базирующего элемента с поверхностью на этапе базирования. Во время царапания в этом же месте определяется сила царапания, которая находится как максимальное значение силы царапания в процессе формирования лунки. При этом подразумевается, что большим значениям глубины царапания соответствуют большие значения силы царапания.2) The operation of basing and scratching is proposed to be carried out sequentially on the same surface area. This will ensure a constant depth of scratching the surface and, accordingly, provide a more accurate estimate of the activation energy of plastic deformation of the surface layer. To this end, it is proposed to scratch the surface with the indenter vertex along an arc of radius r _u (Fig. 1) due to the pendulum movement. Moreover, together with the indenter, the basing element is simultaneously set in motion, the supporting part (arched edge) of which describes an arc of radius r _K. In this case, the following conditions must be ensured: a) the axis of rotation of the indenter and the base must coincide, which will ensure a constant distance between the trajectories of movement of the supporting part of the base element and the indenter vertex; b) the radius of rotation of the top of the indenter r _u exceeds the radius of rotation of the base r _k by an amount equal to the required depth of penetration of the indenter h when scratching, and it is possible to adjust the value of r _u using the mechanism for adjusting the position of the indenter; c) the rotation planes of the indenter vertex and the base coincide, which ensures the passage of the scratching trajectory through the point of contact of the base with the surface under study; d) the radius of the arc forming the supporting part of the basing element coincides with the value of r _to , which provides the same basing conditions at any point in the supporting part of the basing element. Thus, the above conditions guarantee a strictly specified maximum depth of the scratch formed in the form of a hole. Moreover, the maximum depth of the hole during scratching will be located at the place of contact of the supporting part of the base element with the surface at the stage of basing. During scratching, the scratching force is determined in the same place, which is located as the maximum value of the scratching force during the formation of the hole. It is understood that large values of scratching depth correspond to large values of scratching force.

3) Предлагается обеспечить возможность тарированного смещения траектории царапания при одной установке магнитных опор склерометра на исследуемой поверхности. Это позволяет за один установ склерометрического модуля выполнить требуемое количество измерений, а также проводить испытания на ограниченном участке поверхности (малогабаритных деталях), что расширяет технические возможности склерометра.3) It is proposed to provide the possibility of a calibrated displacement of the scratching trajectory with one installation of the magnetic supports of the sclerometer on the surface under study. This allows for one installation of the sclerometric module to perform the required number of measurements, as well as conduct tests on a limited surface area (small parts), which expands the technical capabilities of the sclerometer.

4) В магнитной опоре предлагается реализовать три степени свободы, благодаря чему обеспечится возможность установки склерометрического модуля на поверхностях различной формы. Это также расширит технические возможности склерометра, поскольку позволит надежно зафиксировать склерометрический модуль на поверхностях со сложным профилем.4) In the magnetic support it is proposed to realize three degrees of freedom, so that it will be possible to install a sclerometric module on surfaces of various shapes. This will also expand the technical capabilities of the sclerometer, as it will allow to securely fix the sclerometric module on surfaces with a complex profile.

Заявляемый способ реализуется следующим образом.The inventive method is implemented as follows.

Склерометрический модуль с помощью магнитных опор фиксируют на поверхности исследуемой детали. Корпус склерометрического модуля перемещают вдоль цилиндрических направляющих в сторону поверхности до упора в исследуемую поверхность опорной части базирующего элемента. В этом положении корпус фиксируют хомутами относительно стоек. Затем маятниковым движением выводят из контакта с поверхностью опорную часть базирующего элемента и подводят к этому месту индентор, вершина которого выдвинута относительно траектории движения опорной части базирующего элемента на требуемую величину максимального заглубления индентора в исследуемую поверхность. Далее осуществляют пропахивание поверхности индентором и определяют силу царапания в точке максимального заглубления индентора в исследуемую поверхность. Затем данные испытаний передаются и сохраняются в блоке обработки информации, собранном на базе микроконтроллера или переносного компьютера. Далее рассчитывают энергию активации пластической деформации по формуле (1), где в качестве F_τ и h используют максимальные значения силы царапания и глубины лунки. Затем сохраняют значение энергии активации пластической деформации в памяти контроллера.The sclerometric module with magnetic supports is fixed on the surface of the investigated part. The sclerometric module case is moved along the cylindrical guides towards the surface until it stops in the test surface of the supporting part of the base element. In this position, the housing is fixed with clamps relative to the uprights. Then, the pivoting part of the basing element is brought out of contact with the surface with a pendulum movement and an indenter is brought to this place, the apex of which is extended relative to the trajectory of the pivoting part of the basing element by the required maximum indenter penetration into the test surface. Next, the surface is plowed by the indenter and the scratching force is determined at the point of maximum indentation of the indenter in the surface under study. Then, the test data is transmitted and stored in the information processing unit, assembled on the basis of a microcontroller or laptop computer. Next, the activation energy of plastic deformation is calculated by the formula (1), where the maximum values of scratching force and depth of the hole are used as F _τ and h. Then, the activation energy of plastic deformation is stored in the controller memory.

Устройство прибора. Переносной склерометр состоит из склерометрического модуля и блока обработки информации, между которыми установлена связь с помощью кабеля или беспроводная связь.Device device. A portable sclerometer consists of a sclerometric module and an information processing unit, between which communication via cable or wireless connection is established.

В целях получения более полной информации о конструкции склерометрического модуля на фиг.3 и фиг.4 представлены сечения плоскостями, положение которых определено на фиг.2.In order to obtain more complete information about the design of the sclerometric module in figure 3 and figure 4 presents a section of the planes, the position of which is determined in figure 2.

Склерометрический модуль состоит из корпуса 1, связанного через фторопластовые втулки 32 с тремя магнитными стойками, имеющими возможность перемещаться вдоль цилиндрических пазов на корпусе, а также ручки, расположенной в отверстии в центральной части корпуса.The sclerometric module consists of a housing 1 connected through fluoroplastic sleeves 32 with three magnetic racks that can move along cylindrical grooves on the housing, as well as a handle located in the hole in the central part of the housing.

Ручка склерометрического модуля связана с корпусом 1 посредством шарнирной втулки 2. Шарнирная втулка установлена в специальные призматические опоры корпуса и для исключения зазоров упруго поджата вставками 4 через фторопластовые прокладки 3, которые в совокупности составляют узел вращения. Узел вращения дает возможность ручке совершать маятниковые движения относительно корпуса. На боковых поверхностях корпуса расположены фиксаторы, обеспечивающие возможность закрепления требуемого положения магнитных стоек относительно корпуса. Фиксаторы состоят из хомутов, поджимаемых фиксирующими винтами 25, фторопластовыми прокладками 26. В корпус встроен узел поперечного перемещения ручки, включающий маховик 5, связанный с микрометрическим винтом 6, обеспечивающим возможность перемещения шарнирной втулки в поперечном направлении относительно корпуса, и пружинный поджим, обеспечивающий прижатие шарнирной втулки к микрометрическому винту и устраняющий наличие зазора между ними. Пружинный поджим состоит из винта 7, пружины 8 и толкателя 9. В маховик 5 встроен делительный механизм, обеспечивающий возможность поперечного смещения шарнирной втулки с заданным шагом. Делительный механизм состоит из лимба 10 с позиционирующими отверстиями, пружин 11 и шариков 12. При вращении маховика 6 подпружиненные шарики 12 имеют возможность заглубляться в позиционирующие отверстия на лимбе. Шаг между позиционирующими отверстиями соответствует требуемой величине поперечного смещения шарнирной втулки относительно корпуса. Ручка содержит корпус 13, установленный в шарнирную втулку путем совмещения конических поверхностей для исключения зазоров и жестко зафиксированный с помощью гайки 14. На конической поверхности корпуса 13 выполнен паз, в который вставлен направляющий винт 27. Сверху на корпус надет кожух 15, фиксируемый с помощью винтов с коническими наконечниками 16. В центральное отверстие корпуса вставлен стержень 17. Нижний конец стержня связан с индентором 18, фиксируемым с помощью винта 19. Верхний конец стержня связан с механизмом вертикального перемещения индентора, состоящего из винта 20 и пружины 21, обеспечивающей выбирание зазора в резьбовых соединениях винта 20 с корпусом 13 и стержнем 17. На стержне 17 выполнены две лыски, на которые наклеены тензорезисторы 28, которые представляют собой датчик касательной силы, обеспечивающий возможность измерения касательной силы при царапании поверхности индентором. По бокам стержня 17 имеются пазы для размещения проводов 29, связывающих тензорезисторы 28 с кабелем 30, а также направляющий паз, в который вставлены фиксирующие винты 22. Кабель фиксируется в кожухе с помощью винтов 23 и вставки 24. В нижней части корпуса 13 находятся два симметричных выступа, являющихся базирующим элементом склерометрического модуля. Опорная часть выступов изготовлена в виде заостренной с двух сторон кромки 31. Линии кромок на обоих выступах описывают дугу, лежащую на окружности, центр которой совпадает с центром вращения корпуса относительно поперечной планки. Данная дуга в заявляемом устройстве является базой, относительно которой задается положение вершины индентора при регулировании глубины внедрения. Магнитная стойка, связанная с корпусом через фторопластовые втулки 32, состоит из постоянного магнита 33, зафиксированного в пяте 34. Пята 34 шарнирно связана с тягой 35. Шарнир состоит из стержня 36, вставленного в отверстия на пяте и тяге, зафиксированного путем развальцовки его краев. Шарнир обеспечивает возможность поворота пяты относительно оси вращения стержня на заданный угол. На тягу 35 надета трубка 37, имеющая возможность прижиматься к пяте с помощью фиксирующей гайки 38, навинченной на тягу. Также между гайкой и трубкой расположена пружинная шайба 39, выверяющая зазоры между тягой и пятой во время установки стойки на поверхность при ослабленной фиксирующей гайке 38.The handle of the sclerometric module is connected to the housing 1 by means of a hinge sleeve 2. The hinge sleeve is installed in special prismatic bearings of the housing and, to avoid gaps, is elastically pressed by the inserts 4 through the fluoroplastic gaskets 3, which together constitute a rotation unit. The rotation unit enables the handle to make pendulum movements relative to the housing. On the side surfaces of the housing are latches, providing the ability to secure the required position of the magnetic racks relative to the housing. The latches consist of clamps pressed by the fixing screws 25, fluoroplastic gaskets 26. A knot transverse assembly is integrated in the housing, including a handwheel 5 connected to a micrometer screw 6, which allows the hinge sleeve to be moved in the transverse direction relative to the housing, and a spring clamp, which provides for pressing the hinge bushings to the micrometer screw and eliminating the presence of a gap between them. The spring preload consists of a screw 7, a spring 8 and a pusher 9. A flywheel 5 has a built-in dividing mechanism that allows lateral displacement of the articulated sleeve with a predetermined pitch. The dividing mechanism consists of a limb 10 with positioning holes, springs 11 and balls 12. When the flywheel 6 rotates, the spring-loaded balls 12 are able to penetrate into the positioning holes on the limb. The pitch between the positioning holes corresponds to the required lateral displacement of the articulated sleeve relative to the housing. The handle comprises a housing 13 installed in the hinge sleeve by aligning the conical surfaces to avoid gaps and rigidly fixed with the nut 14. On the conical surface of the housing 13 there is a groove in which the guide screw 27 is inserted. The housing 15 is fixed on top of the housing and is fixed with screws with conical tips 16. A rod 17 is inserted into the central opening of the housing 17. The lower end of the rod is connected to the indenter 18, fixed with a screw 19. The upper end of the rod is connected to the vertical movement mechanism I indenter, consisting of a screw 20 and a spring 21, providing the selection of the gap in the threaded connections of the screw 20 with the housing 13 and the rod 17. On the rod 17 there are two flats on which the strain gages 28 are glued, which are a tangent force sensor that allows the measurement of tangent forces when the surface is scratched by an indenter. On the sides of the rod 17 there are grooves for accommodating wires 29 connecting the strain gauges 28 to the cable 30, as well as a guide groove in which the fixing screws 22 are inserted. The cable is fixed in the casing with screws 23 and the insert 24. In the lower part of the housing 13 there are two symmetrical protrusions, which are the base element of the sclerometric module. The supporting part of the protrusions is made in the form of an edge 31 pointed on two sides. The edge lines on both protrusions describe an arc lying on a circle whose center coincides with the center of rotation of the housing relative to the transverse bar. This arc in the inventive device is the base, relative to which the position of the indenter vertex is set when adjusting the penetration depth. The magnetic strut connected to the housing through the fluoroplastic sleeves 32 consists of a permanent magnet 33 fixed at the heel 34. The heel 34 is pivotally connected to the rod 35. The hinge consists of a rod 36 inserted into the holes on the heel and the rod, fixed by flaring its edges. The hinge provides the ability to rotate the heel relative to the axis of rotation of the rod at a given angle. The rod 37 is fitted with a tube 37, which is able to press against the heel with the help of a fixing nut 38 screwed onto the rod. Also, a spring washer 39 is located between the nut and the tube, which calibrates the gaps between the rod and the fifth during the installation of the rack on the surface with the loose fixing nut 38.

Магнитные стойки в совокупности с фторопластовыми втулками и фиксаторами составляют узел вертикального перемещения корпуса. В свою очередь, узел вертикального перемещения корпуса, узел вращения и узел поперечного перемещения ручки в совокупности составляют механизм перемещения индентора.Magnetic racks in combination with fluoroplastic bushings and clamps constitute a node for vertical movement of the housing. In turn, the node of the vertical movement of the housing, the rotation node and the node of the transverse movement of the handle together constitute the indenter movement mechanism.

Описание способа и устройства в динамике. Ослабляют затяжку фиксирующих винтов 25, а также фиксирующих гаек 38 таким образом, чтобы стойки могли перемещаться вверх и вниз, а пяты 34 поворачиваться вокруг оси шарнира с небольшим усилием. Далее стойки с магнитными опорами опускают в крайнее нижнее положение до упора фиксирующих гаек 38 во фторопластовые втулки. Затем склерометрический модуль при помощи магнитных стоек фиксируют на предварительно очищенной поверхности исследуемой детали. Ручку склерометрического модуля вращательным движением отводят вбок, при этом угол наклона ручки по отношению к контролируемой поверхности выбирают таким образом, чтобы нормаль, опущенная от центра вращения к поверхности, проходила через базу. Плавно опускают корпус 1 вдоль направляющих до соприкосновения ближайшей к поверхности базирующей кромки 31 корпуса ручки 13 с поверхностью, после чего корпус 1 в данном положении фиксируют путем затяжки фиксирующих винтов 25 и фиксирующих гаек 38. Затем, взявшись за верхний конец кожуха ручки 15, ее по дуге перемещают через вертикальное положение в противоположную сторону до контакта с поверхностью второй базирующей кромки. При этом индентор 18, описывая дугу, приближается к поверхности, внедряется в нее на заданную глубину и плавно выходит из контакта. В процессе пропахивания поверхности индентором производят непрерывное измерение касательной силы, при этом с помощью пикового детектора выделяют и сохраняют максимальное значение касательной силы F_τmax, которая соответствует центральному участку царапины в зоне максимального внедрения индентора h (величина которого задается в ходе предварительной настройки склерометра).Description of the method and device in dynamics. Weaken the tightening of the fixing screws 25, as well as the fixing nuts 38 so that the racks can move up and down, and the heels 34 are rotated around the axis of the hinge with little effort. Next, the racks with magnetic supports are lowered to the lowest position until the stop of the fixing nuts 38 in the fluoroplastic bushings. Then the sclerometric module using magnetic racks is fixed on a previously cleaned surface of the investigated part. The handle of the sclerometric module is rotated sideways, while the angle of inclination of the handle relative to the surface being controlled is chosen so that the normal, lowered from the center of rotation to the surface, passes through the base. The housing 1 is smoothly lowered along the guides until the base 13 of the handle housing 13 closest to the surface comes into contact with the surface, after which the housing 1 is fixed in this position by tightening the fixing screws 25 and fixing nuts 38. Then, grasping the upper end of the handle housing 15, the arc is moved through a vertical position in the opposite direction until it contacts the surface of the second base edge. In this case, the indenter 18, describing the arc, approaches the surface, penetrates into it to a predetermined depth and smoothly leaves the contact. In the process of plowing the surface, the indenter continuously measures the tangent force, while using the peak detector, the maximum value of the tangential force F _τmax , which corresponds to the central portion of the scratch in the zone of maximum penetration of the indenter h (the value of which is set during the preliminary adjustment of the sclerometer), is extracted and stored.

Расчет энергии активации пластической деформации выполняется автоматически с помощью микроконтроллерной системы сбора данных. Полученные результаты отображаются на жидкокристаллическом дисплее блока обработки информации.The calculation of the activation energy of plastic deformation is performed automatically using a microcontroller data acquisition system. The results are displayed on the liquid crystal display of the information processing unit.

Затем снова ослабляют затяжку фиксирующих винтов 25. Корпус 1 отводят от исследуемой поверхности, при этом сохраняя положение стоек так, чтобы индентор 18 не касался исследуемой поверхности. Далее смещают ручку склерометрического модуля на требуемую величину путем поворота маховика 5 механизма поперечного перемещения ручки на некоторый угол до совмещения шариков 12 и позиционных отверстий лимба 10. Снова вращательным движением ручку склерометрического модуля отводят вбок. Плавно опускают корпус 1 до соприкосновения одной из базирующих кромок 31 корпуса ручки 13 с поверхностью, фиксируют путем затяжки фиксирующих винтов 25 и вновь повторяют операцию склерометрирования.Then, the tightening of the fixing screws 25 is again loosened. The housing 1 is diverted from the test surface, while maintaining the position of the struts so that the indenter 18 does not touch the test surface. Next, the handle of the sclerometric module is shifted by the required value by turning the handwheel 5 of the mechanism for lateral movement of the handle by a certain angle until the balls 12 and the position holes of the limb are aligned 10. Again, the handle of the sclerometric module is laterally rotated. The housing 1 is gently lowered until one of the base edges 31 of the handle housing 13 comes into contact with the surface, is fixed by tightening the fixing screws 25 and the sclerometry operation is repeated.

Таким образом, склерометрирование повторяют определенное количество раз, требуемое для обеспечения необходимой точности измерений касательной силы. Затем при помощи блока обработки информации усредняют экспериментальные данные и рассчитывают энергию активации поверхностного слоя как отношение измеренной и усредненной касательной силы на площадь поперечного сечения образуемой при склерометрировании борозды, которая заранее рассчитывается исходя из геометрии вершины индентора и величины его заглубления при испытаниях и сохраняется в памяти микроконтроллера. Расчет энергии активации производится по формуле (1).Thus, sclerometry is repeated a certain number of times required to ensure the necessary accuracy of tangential force measurements. Then, using the information processing unit, the experimental data are averaged and the activation energy of the surface layer is calculated as the ratio of the measured and averaged tangential forces to the cross-sectional area formed during sclerometry of the furrow, which is preliminarily calculated based on the geometry of the indenter apex and its penetration during testing and stored in the microcontroller . Calculation of activation energy is carried out according to the formula (1).

Пример реализации способа и устройства. Для проведения испытаний изготавливали переносной склерометр со следующими техническими характеристиками: габариты (механическая часть) - 70×96×160 мм; масса - 1065 г; рабочий угол поворота корпуса ручки - 32°; максимальная глубина лунки - до 5 мкм; длина лунки - ~ 1,4 мм; отрывное усилие магнитных опор - 8 кгс; источник автономного питания - аккумулятор (6 В); потребляемая мощность - до 0,5 Вт; индентор - алмазная пирамида Виккерса; форма исследуемых поверхностей - плоские, цилиндрические (с радиусом не менее 35 мм и длинной не менее 60 мм); положение склерометра при испытаниях - произвольное (вертикальное, горизонтальное, под углом к горизонту). Общий вид склерометра, включающего склерометрический модуль, блок обработки информации и соединительный кабель представлен на фиг.5.An example implementation of the method and device. For testing, a portable sclerometer was made with the following technical characteristics: dimensions (mechanical part) - 70 × 96 × 160 mm; weight - 1065 g; working angle of rotation of the handle body - 32 °; the maximum depth of the hole is up to 5 microns; well length - ~ 1.4 mm; tear-off force of magnetic supports - 8 kgf; autonomous power source - battery (6 V); power consumption - up to 0.5 W; indenter - Vickers diamond pyramid; the shape of the studied surfaces is flat, cylindrical (with a radius of at least 35 mm and a length of at least 60 mm); the position of the sclerometer during testing is arbitrary (vertical, horizontal, at an angle to the horizon). A general view of a sclerometer including a sclerometric module, an information processing unit, and a connecting cable is shown in FIG. 5.

Испытывали стальную бурильную трубу СБТ 127 (из стали 36Г2С) диаметром 127 мм с толщиной стенки 12,7 мм. Исходный предел прочности материала трубы σ_в=784 МПа. Наработка трубы составила 750 часов. Произвели подготовку поверхности к испытаниям: на испытываемом участке трубы удалили следы грязи и коррозии путем зачистки наждачной бумагой, далее произвели обезжиривание бензином «Калоша», ацетоном и высушили поверхность. Затем на трубу установили склерометр с помощью магнитных опор. Опустили каретку склерометра до упора опорной части базирующего элемента склерометра в исследуемую поверхность. Зафиксировали стойки склерометра с помощью фиксирующих гаек и винтов. Далее произвели поворот ручки склерометра относительно горизонтальной оси вращения (совершая маятниковое движение), при этом индентор процарапал на исследуемой поверхности лунку глубиной 3 мкм. Данные о пиковом значении касательной силы, полученные при царапании, обрабатывали при помощи программы, прошитой в памяти контроллера, и на жидкокристаллическом индикаторе отобразилась соответствующая величина энергии активации пластической деформации в единицах кДж/моль. При указанных испытаниях энергия активации составила 112 кДж/моль.The steel drill pipe SBT 127 (made of 36G2S steel) with a diameter of 127 mm and a wall thickness of 12.7 mm was tested. The initial tensile strength of the pipe material σ _in = 784 MPa. The operating time of the pipe was 750 hours. The surface was prepared for testing: on the test section of the pipe, the traces of dirt and corrosion were removed by sanding, then degreased with Kalosha gasoline, acetone, and the surface was dried. Then a sclerometer was installed on the pipe using magnetic bearings. The sclerometer carriage was lowered as far as the abutment of the supporting part of the base element of the sclerometer to the test surface. The sclerometer racks were fixed with fixing nuts and screws. Next, the sclerometer handle was rotated relative to the horizontal axis of rotation (making a pendulum movement), while the indenter scratched a 3 μm deep hole on the surface under study. The data on the peak value of the tangential force obtained by scratching were processed using a program flashed in the controller's memory, and the corresponding value of the activation energy of plastic deformation in units of kJ / mol was displayed on the liquid crystal display. In these tests, the activation energy was 112 kJ / mol.

На фиг.1 представлена схема базирования переносного склерометра.Figure 1 presents the basing scheme of a portable sclerometer.

На фиг.2 представлен вид сверху на склерометрический модуль.Figure 2 presents a top view of the sclerometric module.

На фиг.3 и фиг.4 представлены сечения плоскостями склерометрического модуля соответственно А-А и В-В.Figure 3 and figure 4 presents a section of the planes of the sclerometric module, respectively aa and bb.

На фиг.5 показан общий вид переносного склерометра.Figure 5 shows a General view of a portable sclerometer.

Используемая литератураUsed Books

1. Патент РФ №2277232. Способ определения прочностных характеристик материала и устройство для его осуществления. / Д.Г.Громаковский, В.А.Прилуцкий, И.Д.Ибатуллин и др. Опубл. 27.05.2006, бюл. №15.1. RF patent No. 2277232. A method for determining the strength characteristics of a material and a device for its implementation. / D.G. Gromakovsky, V.A. Prilutsky, I.D. Ibatullin et al. Publ. 05/27/2006, bull. No. 15.

2. Ибатуллин И.Д. Кинетика усталостной повреждаемости и разрушения поверхностных слоев. // Монография / И.Д.Ибатуллин - Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2008. - 387 с.: ил. ISBN - 978-5-7964-1211-4.2. Ibatullin I.D. Kinetics of fatigue damage and destruction of surface layers. // Monograph / I.D.Ibatullin - Samara: Samar. state tech. Univ., 2008 .-- 387 pp., ill. ISBN - 978-5-7964-1211-4.

3. Тененбаум М.М. Склерометры для изучения сопротивления царапанию и их применение. В кн.: Склерометрия. // Под ред. М.М.Хрущева. - М.: Наука, 1968, с.124.3. Tenenbaum M.M. Sclerometers for studying scratch resistance and their application. In the book: Sclerometry. // Ed. M.M.Khrushchev. - M .: Nauka, 1968, p. 124.

Claims

1. A method for evaluating the activation energy of plastic deformation of the surface layer, namely, that a portable sclerometer is installed on the test surface, then the surface layer of the samples is deformed by the indenter, and in one operation the operator performs three actions of the portable sclerometer: lowering the indenter to the test surface, introducing indenter into the surface layer to a predetermined depth and scratching the material of the surface layer by the indenter, then according to the deformation characteristics the activation energy of plastic deformation of this layer is extinguished, characterized in that, before the indenter is introduced, the base element is pressed against the test surface, then the base element is removed from the surface and the surface is scratched by the indenter at a given depth so that the scratch passes through the point of contact of the base element with the surface, and at the same point the tangential force is evaluated.

2. The portable sclerometer according to claim 1, containing an indenter, a tangent force sensor, an indenter movement mechanism, a base element, ensuring a constant value of the indenter penetration into the test surface, characterized in that the tangent force sensor contains a peak detector, and the base element has the ability to move together with an indenter along an arc, the centers of rotation of the base element and the indenter coincide, and the distances from the center of rotation to the top of the indenter and the supporting part of the base element differ by a value equal to the required depth of surface scratching.