RU2499246C2 - Method to determine strength characteristics of material and device for its realisation - Google Patents

Method to determine strength characteristics of material and device for its realisation Download PDF

Info

Publication number
RU2499246C2
RU2499246C2 RU2011113065/28A RU2011113065A RU2499246C2 RU 2499246 C2 RU2499246 C2 RU 2499246C2 RU 2011113065/28 A RU2011113065/28 A RU 2011113065/28A RU 2011113065 A RU2011113065 A RU 2011113065A RU 2499246 C2 RU2499246 C2 RU 2499246C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
tool
sample
indenter
activation energy
plastic deformation
Prior art date
Application number
RU2011113065/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2011113065A (en
Inventor
Максим Владимирович Ненашев
Владимир Васильевич Калашников
Дмитрий Анатольевич Деморецкий
Ванцетти Александрович Прилуцкий
Ильдар Дугласович Ибатуллин
Илья Владимирович Нечаев
Андрей Николаевич Журавлев
Андрей Юрьевич Мурзин
Сергей Юрьевич Ганигин
Константин Петрович Якунин
Ольга Анатольевна Кобякина
Александр Анатольевич Чеботаев
Арсений Владимирович Утянкин
Тамара Александровна Шашкина
Роза Рустямовна Неяглова
Елена Александровна Трофимова
Альберт Хафисович Галлямов
Original Assignee
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный технический университет
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 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный технический университет filed Critical Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный технический университет
Priority to RU2011113065/28A priority Critical patent/RU2499246C2/en
Publication of RU2011113065A publication Critical patent/RU2011113065A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2499246C2 publication Critical patent/RU2499246C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: machine building.
SUBSTANCE: device comprises a body with an electric motor and a reducer inside it; two parallel columns fixed on the body with a cross beam installed on it as capable of displacement along them together with mechanisms of its fixation on the columns and a tool fixed on it; a tool head, a mechanism of tool installation, a mechanism of tool feed and removal from the sample surface, a metre of normal movements of the tool, a sensor of normal force, a mechanism and a table for installation and thermal stabilisation of the sample; a mechanism of normal loading of the tool; an automated system of setting of a loading and unloading program, reading, recording and processing of test result information together with a personal computer. The device is additionally equipped with a mechanism of tangential displacement of the sample; a mechanism of sample rotation in the vertical plane; a mechanism of fine displacement of a sample in a vertical plane; a mechanism of accelerated displacement and fixation of the tool; a sensor for measurement of a tangential force; a mechanism of vertical displacement of the cross beam. The substance: a program is used to select a type of research and its completion from possible several automatically realised on one and the same device, such as strip-chart recording or stylus method for assessment of sample roughness; assessment of microhardness of sample surface; assessment of energy of plastic deformation activation; tribometric technique; forecasting of the residual resource; strip-chart recording and stylus method of sample surface rippling, and the selected research is carried out with the help of the device.
EFFECT: expansion of technical capabilities, simplification and acceleration of operations.
8 cl, 16 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, а именно к определению прочностных характеристик материалов деталей машин при усталостном механизме разрушения, а также при деформировании поверхностных слоев материала трением, и может быть использовано для оценки параметров их состояния.The invention relates to mechanical engineering, and in particular to the determination of the strength characteristics of materials of machine parts under the fatigue fracture mechanism, as well as in the deformation of surface layers of material by friction, and can be used to assess their state parameters.

Известны аналогичные способы определения прочностных характеристик материалов [1, 2], заключающиеся в том, что в испытуемый материал внедряют индентор под нагрузкой, измеряют геометрические параметры отпечатков и борозды, а затем определяют прочностные характеристики материала.Similar methods are known for determining the strength characteristics of materials [1, 2], namely, that an indenter is inserted into the test material under load, the geometric parameters of the prints and furrows are measured, and then the strength characteristics of the material are determined.

Аналогичные способы реализуются отдельным устройством и поэтому пригодны только для определения ограниченного числа характеристик.Similar methods are implemented by a separate device and therefore are only suitable for determining a limited number of characteristics.

Наиболее близко по своей технической сущности в качестве прототипа подходит способ определения прочностных характеристик материала и устройство для его осуществления [3], заключающийся в том, что на подготовленную поверхность образцов индентором наносят царапины, повторяют проходы индентора, оценивают объем материала, вытесненного индентором из поверхностного слоя, затраченную энергию, затем определяют характеристику материала - энергию активации разрушения поверхностного слоя, как отношение затраченной энергии к количеству материала, вытесненного из поверхностного слоя.The closest in its technical essence as a prototype is a method for determining the strength characteristics of a material and a device for its implementation [3], which consists in scratching the prepared surface of the samples by the indenter, repeating the indenter passes, and estimating the volume of the material displaced by the indenter from the surface layer spent energy, then determine the characteristic of the material - the activation energy of the destruction of the surface layer, as the ratio of the spent energy to the amount of mother la displaced from the surface layer.

Однако прототип ограничен в своих технологических возможностях, так как позволяет определять только определенные характеристики материала, ограниченные устройством.However, the prototype is limited in its technological capabilities, as it allows you to determine only certain characteristics of the material, limited by the device.

Заявляемый способ лишен указанного недостатка.The inventive method is devoid of this drawback.

Известны аналогичные устройства для осуществления способа определения прочностных характеристик материала [4, 5], содержащие корпус, индентор, механизм нагружения индентора, колонну, механизм продольного перемещения индентора, оптическую систему, блок обработки информации, командоаппарат, механизм закрепления образца, арретирующий узел.Known similar devices for implementing the method for determining the strength characteristics of a material [4, 5], comprising a housing, an indenter, an indenter loading mechanism, a column, an indenter longitudinal movement mechanism, an optical system, an information processing unit, a command device, a sample fixing mechanism, a locking unit.

Аналогичные устройства имеют недостаток: они предназначены для определенных операций, то есть у них ограничены технологические возможности, низкая производительность.Similar devices have a drawback: they are designed for certain operations, that is, they have limited technological capabilities, low productivity.

В качестве прототипа по своей технической сущности наиболее близко подходит устройство [6], содержащее корпус, колонну, индентор, механизм нагружения индентора, механизмы продольного и поперечного перемещения индентора, блок обработки информации, командоаппарат. Устройство-прототип позволяет вдавливать инструмент-индентор, наносить на испытуемую поверхность образца царапину и переходить к нанесению следующей царапины, измерять силу вдавливания инструмента-индентора, размеры царапины-борозды, величину высоты наплыва, ширины и глубины царапины. Однако устройство-прототип имеет недостаток. Оно ограничено в своих технологических возможностях. На нем невозможно осуществить все операции согласно заявляемому способу определения прочностных характеристик материала.As a prototype, in its technical essence, the device [6] is the most suitable, containing a housing, a column, an indenter, an indenter loading mechanism, indenter longitudinal and lateral movement mechanisms, an information processing unit, a command device. The prototype device allows you to press the indenter tool, apply a scratch to the test surface of the sample and proceed to the next scratch, measure the indentation force of the indenter tool, the size of the scratch-groove, the height of the influx, the width and depth of the scratch. However, the prototype device has a drawback. It is limited in its technological capabilities. It is impossible to carry out all operations according to the claimed method for determining the strength characteristics of the material.

Указанный недостаток отсутствует в заявляемом устройстве.The specified disadvantage is absent in the claimed device.

Технический результат настоящего изобретения заключается в расширении технических возможностей, упрощение и ускорение операций.The technical result of the present invention is to expand the technical capabilities, simplifying and speeding up operations.

Технический результат достигается тем, что на подготовленную поверхность образцов инструментом-индентором наносят царапины, повторяют проходы инструмента-индентора, оценивают объем материала, вытесненного инструментом-индентором из поверхностного слоя, затраченную энергию при заданной температуре образца, затем определяют характеристику материала - энергию активации разрушения поверхностного слоя, как отношение затраченной энергии к количеству материала, вытесненного из поверхностного слоя, при этом используют программу выбора вида исследования и его проведения из возможных нескольких автоматически реализуемых на одном и том же устройстве, как профилографирование-профилометрирование шероховатости образца; оценку микротвердости поверхности образца; оценку энергии активации пластической деформации; трибометрирование; прогнозирование остаточного ресурса (по текущему значению либо кинетике изменения энергии активации пластической деформации); профилографирование-профилометрирование волнистости поверхности образца; включают блок обработки информации персонального компьютера, загружают рабочую программу выбора вида исследования и его проведения; поворачивают ручку фиксации инструмента в положение «измерение», отводя кулачком подвеску; обезжиренный и высушенный образец размещают на столике исследуемой поверхностью перпендикулярно оси движения инструмента; устанавливают соответствующий инструмент в державке; вводят требуемые исходные данные и режимы исследования в рабочую программу выбора вида исследования и его проведения; нажимают кнопку «старт» окна рабочей программы выбора вида исследования и его проведения; опускают траверсу с инструментальной головкой до соприкосновения инструмента с исследуемой поверхностью образца, определяя его момент касания по показаниям датчика вертикальных перемещений инструмента; двигателем горизонтального перемещения каретки перемещают каретку на расстояние выхода вершины инструмента из деформированной области исследуемой поверхности до нулевых показаний датчика вертикальных перемещений инструмента; реализуют алгоритм дальнейших действий согласно результату выбора видов исследований. После выбора вида исследований - оценка микротвердости поверхности образца вводят требуемое число измерений, величину нормальной нагрузки; устанавливают инструмент - стандартный алмазный индентор Виккерса (четырехгранную пирамиду с углом при вершине 136°); включают двигатель нагружения; давят на свободный конец плоской пружины датчика нагружения подвески; одновременно строят график зависимости «нормальная нагрузка FN [Н] - величина внедрения инструмента-индентора h [мкм] в исследуемую поверхность» (h=f(FN)); одновременно вычисляют значение микротвердости по формуле H μ = 1854 ,4 m D 2

Figure 00000001
[кгс/мм2], где D=h/0,14 [мкм] - размер диагонали отпечатка 4, m=FN·10-3·g-1≈FN·10-2, [г] - эквивалентная масса навески; строят график зависимости Hµ=f(h); сохраняют результаты вычислений в памяти блока обработки информации. После выбора вида исследований - профилографирование - профилометрирование шероховатости поверхности образца при выборе требуемого режима исследования задают базовую длину трассы сканирования поверхности; устанавливают инструмент - алмазную иглу с углом при вершине 60° в державку; автоматически включают двигатель горизонтального перемещения каретки; перемещают инструмент - алмазную иглу по исследуемой поверхности в режиме сканирования (без приложения нормальной нагрузки) на величину базовой длины; одновременно на экране компьютера строят график зависимости «вертикальное перемещение инструмента - алмазной иглы - горизонтальное перемещение исследуемого образца» в режиме реального времени; при задании нескольких чисел заданных измерений действие повторяют заданное число раз; выводят на экран среднюю линию профиля, линии впадин и выступов, кривую опорной поверхности; рассчитывают и выводят на экран монитора параметры R2 - высоту шероховатости, Ra - среднеарифметическое отклонение, tm - шаг; найденные значения критериев профиля шероховатости исследуемой поверхности образца сохраняют в памяти блока обработки информации; возвращают каретку в исходное положение; поворачивают ручку фиксации инструмента - алмазной иглы в положение «хранение», приподнимая при этом подвеску; сохраняют результаты вычислений в памяти блока обработки информации. После выбора вида исследований - оценка энергии активации пластической деформации; выбирают требуемый критерий измерений - по заданной величине нормальной нагрузки или внедрения инструмента-индентора; вводят в рабочую программу в зависимости от выбора требуемого критерия измерений значение нормальной нагрузки или глубины внедрения инструмента-индентора при царапании, значение молярного объема материала исследуемого образца, числа измерений, требуемой длины царапины; устанавливают инструмента - четырехгранную пирамиду с углом при вершине 136° в державку; включают двигатель нормального нагружения; нагружают подвеску по нормали до заданной величины нормальной нагрузки или до заданной величины внедрения инструмента-индентора в поверхность исследуемого образца - в зависимости от выбора требуемого критерия измерений; включают двигатель горизонтального перемещения каретки; царапают инструментом-индентором поверхность исследуемого образца на заданную величину; одновременно измеряют силу царапания; вычисляют величину энергии активации пластической деформации; возвращают каретку в исходное положение; сохраняют текущее значение энергии активации пластической деформации в памяти блока обработки информации. После выбора вида исследований - прогнозирование остаточного ресурса задают начальное значение энергии активации пластической деформации поверхностного слоя и величину энергии активации разрушения материала поверхностного слоя; выбирают вид прогнозирования (по текущему значению энергии активации пластической деформации или по кинетике изменения энергии активации пластической деформации); при прогнозировании по текущему значению энергии активации пластической деформации определяют ожидаемое время наступления разрушения tpec и остаточный ресурс материала δ по формулам:The technical result is achieved by the fact that scratches are made on the prepared surface of the samples by the indenter tool, the passes of the indenter tool are repeated, the volume of material displaced by the indenter tool from the surface layer is estimated, the energy expended at a given temperature of the sample, then the material characteristic is determined - the activation energy of surface fracture layer, as the ratio of energy expended to the amount of material displaced from the surface layer, using the selection program in the study and its conduct from the possible several automatically implemented on the same device as profiling-profiling of the roughness of the sample; microhardness assessment of a sample surface; assessment of the activation energy of plastic deformation; tribometry; prediction of residual life (at the current value or kinetics of changes in the activation energy of plastic deformation); profiling-profiling of the undulation of the surface of the sample; include a personal computer information processing unit, download a work program for selecting a type of study and its conduct; turn the knob of fixing the tool to the "measurement" position, moving the suspension away with the cam; fat-free and dried sample is placed on the table with the studied surface perpendicular to the axis of movement of the tool; install the appropriate tool in the holder; enter the required initial data and study modes into the work program for selecting the type of study and its conduct; press the "start" button of the window of the work program for selecting the type of study and its conduct; lower the traverse with the tool head until the tool touches the test surface of the sample, determining its moment of contact according to the readings of the sensor of vertical movements of the tool; the engine for horizontal movement of the carriage moves the carriage to the distance of the exit of the top of the tool from the deformed region of the investigated surface to zero readings of the sensor of vertical movements of the tool; implement the algorithm for further actions according to the result of the choice of research types. After choosing the type of research - assessment of the microhardness of the surface of the sample enter the required number of measurements, the magnitude of the normal load; install the tool - a standard Vickers diamond indenter (a tetrahedral pyramid with an angle at the apex of 136 °); include a loading engine; press on the free end of the flat spring of the suspension load sensor; at the same time, they build a graph of the dependence “normal load F N [N] - the amount of penetration of the tool-indenter h [μm] into the test surface” (h = f (F N )); simultaneously calculate the microhardness value by the formula H μ = 1854 ,four m D 2
Figure 00000001
[kgf / mm 2 ], where D = h / 0.14 [μm] is the diagonal size of the print 4, m = F N · 10 -3 · g -1 ≈F N · 10 -2 , [g] is the equivalent mass hinges; plotting the dependence Hµ = f (h); save the results of the calculations in the memory of the information processing unit. After choosing the type of research - profiling - profiling of the roughness of the surface of the sample when choosing the desired research mode, set the base length of the surface scan path; set the tool - a diamond needle with an angle at the apex of 60 ° in the holder; automatically turn on the engine of horizontal movement of the carriage; move the tool - a diamond needle along the surface under investigation in the scanning mode (without applying a normal load) by the value of the base length; at the same time, a graph of the dependence “vertical movement of the tool — diamond needle — horizontal movement of the test sample” in real time is plotted; when setting several numbers of specified measurements, the action is repeated a specified number of times; display the middle line of the profile, the lines of the depressions and protrusions, the curve of the supporting surface; parameters R2 are calculated and displayed on the screen of the monitor — roughness height, Ra — arithmetic mean deviation, tm — step; the found values of the roughness profile criteria of the studied surface of the sample are stored in the memory of the information processing unit; return the carriage to its original position; turn the knob for fixing the tool - the diamond needle to the "storage" position, while raising the suspension; save the results of the calculations in the memory of the information processing unit. After choosing the type of research - assessment of the activation energy of plastic deformation; select the required measurement criterion - for a given value of the normal load or the introduction of the indenter tool; depending on the choice of the required measurement criterion, the value of the normal load or the penetration depth of the indenter tool when scratching, the molar volume of the material of the test sample, the number of measurements, the required length of the scratch are introduced; set the tool - a tetrahedral pyramid with an angle at the apex of 136 ° into the holder; turn on the engine of normal loading; load the suspension normal to a predetermined value of the normal load or to a predetermined amount of penetration of the indenter tool into the surface of the test sample, depending on the choice of the required measurement criterion; turn on the engine for horizontal movement of the carriage; scratch the surface of the test sample by the indenter tool by a predetermined amount; simultaneously measure the force of scratching; calculate the activation energy of plastic deformation; return the carriage to its original position; save the current value of the activation energy of plastic deformation in the memory of the information processing unit. After choosing the type of research - forecasting the residual life, the initial value of the activation energy of plastic deformation of the surface layer and the value of the activation energy of the destruction of the material of the surface layer are set; choose the type of prediction (according to the current value of the activation energy of plastic deformation or the kinetics of changes in the activation energy of plastic deformation); when predicting the current value of the activation energy of plastic deformation, determine the expected time of fracture t pec and the residual life of the material δ by the formulas:

t pec = 100 100 δ t эксп

Figure 00000002
, t pec = one hundred one hundred - δ t exp
Figure 00000002
,

δ = 100 (1 U 0 U 0 исх U 0 кр U 0 исх )

Figure 00000003
δ = one hundred (one - U 0 - U 0 out U 0 cr - U 0 out )
Figure 00000003

где tэксп - длительность наработки материала в единицах времени; U0, U0исх, U0кр - текущее, исходное, критическое (предельно допустимое) значение энергии активации пластической деформации материала, соответственно; при прогнозировании по кинетике изменения энергии активации пластической деформации строят таблицу исходных данных, содержащих ранее найденные значения энергии активации пластической деформации исследуемого материала и соответствующие им значения наработки; выбирают вид аппроксимации (линейный или нелинейный); с помощью рабочей программы автоматически строят на экране компьютера зависимость в координатах «наработка - энергия активации пластической деформации», аппроксимированную методом наименьших квадратов и горизонтальные прямые, соответствующие начальному и критическому уровню энергии активации пластической деформации материала; определяют автоматически точку пересечения аппроксимированной зависимости с критическим значением энергии активации; значение оси в точке пересечения принимают за прогнозируемое значение наработки материала, соответствующее его разрушению, сохраняют прогнозируемое значение наработки материала в памяти блока обработки информации. После выбора вида исследований - трибометрирование, задают величину нормальной нагрузки, скорость, амплитуду и время перемещения каретки; устанавливают инструмент -сферический индентор в державку; наносят слой смазочного материала на поверхность исследуемого образца; включают автоматически двигатель нагружения; давят на инструмент - сферический индентор нормальной силой до заданной величины с фиксированием датчиком нагружения подвески нормальной силой; включают двигатель продольного перемещения в режиме возвратно-поступательного движения с заданной скоростью, амплитудой и временем испытаний; измеряют силу трения по показаниям датчика тангенциальной силы, нормальную силу, действующую на инструмент - индентор, величину перемещения инструмента-индентора относительно поверхности исследуемого образца, величину линейного износа по разности показаний датчика вертикальных перемещений инструмента-индентора; возвращают инструмент - индентор и каретку в исходное положение; сохраняют результат вычислений в памяти блока обработки информации. После выбора вида исследований - профилографирование - профилометрирование волнистости поверхности образца при выборе требуемого режима исследования задают длину трассы сканирования поверхности образца; устанавливают инструмент - алмазную иглу с углом при вершине 60° в державку; автоматически включают двигатель горизонтального перемещения столика вместе с образцом на величину длины трассы сканирования (без приложения нормальной нагрузки); одновременно с перемещением образца строят график на экране компьютера зависимости «вертикальное перемещение инструмента - горизонтальное перемещение исследуемого образца» в режиме реального времени; при задании нескольких чисел заданных измерений действие повторяют заданное число раз; выводят на экран среднюю линию профиля, линии впадин и выступов; рассчитывают параметры WZ - высоту волнистости SW - шаг волнистости; найденные значения критериев профиля волнистости исследуемой поверхности образца сохраняют в памяти блока обработки информации; возвращают каретку и инструмент - алмазную иглу в исходное положение; поворачивают ручку фиксации инструмента - алмазной иглы в положение «хранение», приподнимая при этом подвеску; сохраняют результаты вычислений в памяти блока обработки информации.where t exp - the duration of the time the material in units of time; U 0 , U 0 ref , U 0 cr - current, initial, critical (maximum permissible) value of the activation energy of plastic deformation of the material, respectively; when predicting the kinetics of changes in the activation energy of plastic deformation, a table of initial data is constructed containing the previously found values of the activation energy of plastic deformation of the material under study and the corresponding operating time values; choose the type of approximation (linear or non-linear); using a work program, a dependency is automatically built on the computer screen in the coordinates "running hours - activation energy of plastic deformation" approximated by the least squares method and horizontal lines corresponding to the initial and critical levels of activation energy of plastic deformation of the material; automatically determine the intersection point of the approximated dependence with a critical value of activation energy; the axis value at the intersection point is taken as the predicted value of the material production time corresponding to its destruction, the predicted value of the material production time is stored in the memory of the information processing unit. After choosing the type of research - tribometry, set the magnitude of the normal load, speed, amplitude and time of movement of the carriage; set the spherical indenter tool into the holder; applying a layer of lubricant to the surface of the test sample; automatically turn on the loading engine; press on the tool - a spherical indenter with a normal force to a predetermined value with fixing by the load sensor of the suspension with a normal force; turn on the longitudinal motion engine in the reciprocating motion mode with a given speed, amplitude and test time; measure the friction force according to the readings of the tangential force sensor, the normal force acting on the tool - indenter, the displacement of the tool-indenter relative to the surface of the test sample, the linear wear on the difference of the readings of the sensor of vertical displacements of the tool-indenter; return the tool - the indenter and the carriage to its original position; save the result of the calculations in the memory of the information processing unit. After choosing the type of research - profiling - profilometry of the undulation of the surface of the sample, when choosing the desired research mode, specify the length of the scan path of the surface of the sample; set the tool - a diamond needle with an angle at the apex of 60 ° in the holder; automatically turn on the engine for horizontal movement of the table along with the sample by the length of the scan path (without applying a normal load); simultaneously with the movement of the sample, a graph is plotted on the computer screen of the dependence "vertical movement of the tool - horizontal movement of the test sample" in real time; when setting several numbers of specified measurements, the action is repeated a specified number of times; display the middle line of the profile, the line of depressions and protrusions; calculate the parameters W Z - wave height S W - wave step; the found values of the criteria for the undulation profile of the investigated surface of the sample are stored in the memory of the information processing unit; return the carriage and the tool - the diamond needle to its original position; turn the knob for fixing the tool - the diamond needle to the "storage" position, while raising the suspension; save the results of the calculations in the memory of the information processing unit.

Устройство для определения прочностных характеристик материала, содержащее корпус коробчатой пустотелой формы с электродвигателем и редуктором внутри его; укрепленные на корпусе две параллельные колонны с установленной на них с возможностью перемещения по ним траверсой вместе с механизмами фиксации ее на колоннах и закрепленной на ней инструментом; инструментальной головкой, механизмом установки инструмента, механизмом подвода и отвода инструмента от поверхности образца, измерителем нормальных перемещений инструмента, датчиком нормальной силы, механизм и стол для установки и термостабилизации образца; механизм нормального нагружения инструмента; автоматизированную систему задания программы нагружения и разгружения, считывания, записи и обработки информации результатов испытаний совместно с персональным компьютером, при этом оно дополнительно снабжено механизмом тангенциального перемещения образца; механизмом поворота образца в вертикальной плоскости; механизмом тонкого перемещения образца в вертикальной плоскости; механизмом ускоренного перемещения и фиксации инструмента; датчиком измерения тангенциальной силы; механизмом вертикального перемещения траверсы; при этом механизм и стол для установки и термосабилизации образца выполнен в виде столика и плиты, установленной на корпусе устройства, соединенных между собой механизмом тангенциального перемещения образца, выполненного, в свою очередь, в виде нижнего корпуса, соединенного с плитой с возможностью перемещения по ее продольным направляющим посредством шагового электродвигателя, расположенного в нижнем корпусе, и реечной передачи, реечная шестерня которой закреплена на роторе шагового электродвигателя, а рейка - на плите, и механизмом поворота образца в вертикальной плоскости, скрепленного столиком, выполненным в виде верхнего клина и нижнего клина, установленного на верхнем корпусе с возможностью перемещения по его направляющим посредством вращения рукоятки ходового винта, закрепленного в подшипнике верхнего корпуса и связанного с резьбовым отверстием нижнего клина; причем верхний клин соединен посредством плоской и витой пружин с нижним корпусом с возможностью поворота относительно его посредством механизма поворота образца в вертикальной плоскости, состоящего из маховика-рукоятки винта, имеющего возможность вращения в гайке, закрепленной на нижнем корпусе и упираться сферическим концом в пяту, закрепленную в верхнем корпусе; а механизм вертикального перемещения траверсы выполнен в виде шагового электродвигателя, редуктора, включающего ременную передачу, промежуточный вал, двумя червяками на его концах и два червячных зубчатых колеса на двух ходовых винтах, пропущенных внутри соответствующих двух колонн и внутрь корпуса, двух ходовых гаек, закрепленных на двух жестко скрепленных с траверсой ползушках, установленных на соответствующих колоннах по подвижной посадке с возможностью фиксации на них посредством механизмов фиксации траверсы; механизм ускоренного перемещения и фиксации инструмента выполнен в виде диского кулачка и рукоятки его поворота; механизм нормального нагружения инструмента и механизм тангенциального перемещения инструмента выполнены в виде каретки, подвешенной на попарных плоско-параллельных пружинах с возможностью перемещения, в двух взаимно-перпендикулярных направлениях, посредством соответствующих двух перпендикулярно установленных линейных шаговых электродвигателей.A device for determining the strength characteristics of a material, comprising a box-shaped hollow body with an electric motor and a gearbox inside it; two parallel columns mounted on the casing with installed on them with the possibility of moving a traverse along them together with mechanisms for fixing it on the columns and a tool fixed on it; a tool head, a tool mounting mechanism, a mechanism for bringing the tool in and out of the sample surface, a measuring instrument for normal tool movements, a normal force sensor, a mechanism and a table for installing and thermally stabilizing the sample; mechanism of normal tool loading; an automated system for setting a program for loading and unloading, reading, writing and processing information from test results together with a personal computer, while it is additionally equipped with a mechanism for tangential movement of the sample; the mechanism of rotation of the sample in a vertical plane; the mechanism of thin movement of the sample in a vertical plane; a mechanism for accelerated movement and fixation of the tool; tangential force sensor; the mechanism of vertical movement of the traverse; the mechanism and the table for installing and thermally stabilizing the sample are made in the form of a table and a plate mounted on the device’s body, interconnected by a tangential movement mechanism of the sample, made, in turn, in the form of a lower case connected to the plate with the possibility of moving along its longitudinal guiding by means of a stepper motor located in the lower case, and a rack and pinion gear, the rack gear of which is fixed to the rotor of the stepper motor, and the rail on the plate, and the mechanism a sample gate in a vertical plane, fastened together by a table made in the form of an upper wedge and a lower wedge mounted on the upper case with the possibility of moving along its guides by rotating the spindle handle fixed in the bearing of the upper case and connected with the threaded hole of the lower wedge; moreover, the upper wedge is connected by means of a flat and twisted spring to the lower case with the possibility of rotation relative to it by means of a sample rotation mechanism in a vertical plane, consisting of a handwheel-screw, which can rotate in a nut fixed on the lower case and abut against the heel fixed with a spherical end in the upper case; and the mechanism of vertical movement of the traverse is made in the form of a stepper motor, a gearbox, including a belt drive, an intermediate shaft, two worms at its ends and two worm gears on two lead screws, passed inside the corresponding two columns and inside the case, two lead nuts mounted on two cradles rigidly fixed to the traverse, mounted on the respective columns in a movable landing with the possibility of fixing on them by means of the traverse fixing mechanisms; the mechanism of accelerated movement and fixation of the tool is made in the form of a disk cam and a handle for its rotation; the mechanism of normal loading of the tool and the mechanism of tangential movement of the tool are made in the form of a carriage suspended on pairwise plane-parallel springs with the possibility of movement, in two mutually perpendicular directions, by means of the respective two perpendicularly mounted linear step motors.

Отличительные признаки способа: отпадает необходимость иметь несколько разных устройств, исчезают операции по наладке и настройке каждого вида исследования из возможных шести, автоматически реализуемых на одном и том же устройстве: оценку микротвердости образца; профилографирование-профилометрирование шероховатости поверхности образца; оценку энергии активации пластической деформации; трибометрирование; прогнозирование остаточного ресурса; профилографирование-профилометрирование волнистости поверхности образца. Легко возможно перейти к любому из шести видов исследований за счет группирования одинаковых операций, общих для каждого вида исследований, чем автоматически командует командоаппарат согласно содержанию рабочей программы.Distinctive features of the method: there is no need to have several different devices, operations for setting up and adjusting each type of study from the possible six, automatically implemented on the same device, disappear: evaluation of the microhardness of the sample; profiling-profiling of the surface roughness of the sample; assessment of the activation energy of plastic deformation; tribometry; prediction of residual life; profiling-profiling of the undulation of the surface of the sample. It is easy to go to any of the six types of research by grouping the same operations common to each type of research, which automatically commands the command device according to the contents of the work program.

Отличительные признаки устройства: дополнительно введены механизм тангенциального перемещения образца; механизм поворота образца в вертикальной плоскости; механизм разгружающего отвода инструмента; механизм перемещения траверсы; по-иному выполнены механизм нормального нагружения инструмента и механизм тангенциального перемещения инструмента.Distinctive features of the device: the mechanism of tangential movement of the sample is additionally introduced; the mechanism of rotation of the sample in a vertical plane; tool unloading retraction mechanism; traverse movement mechanism; the mechanism of normal loading of the tool and the mechanism of tangential movement of the tool are differently implemented.

Сравнительный анализ способа и устройства с известными техническими решениями показывает, что в известных технических решениях отсутствуют отличительные признаки предлагаемых изобретений, позволяющих решить новую техническую задачу. Следовательно, эти признаки являются существенными.A comparative analysis of the method and device with known technical solutions shows that in the known technical solutions there are no distinguishing features of the proposed inventions, allowing to solve a new technical problem. Therefore, these symptoms are significant.

При определении твердости поверхности 1 образца 2 (Фиг.1) инструмент 3, в данном случае - индентор, под действием нормальной силы FN имеет возможность внедряться в образец 2 на величину h. Отпечаток 4 на поверхности 1 имеет прямоугольную форму с размером D диагонали. В этом случае есть возможность построить график зависимости глубины h отпечатка 4 от нормальной силы FN, передаваемой на инструмент-индентор, то естьWhen determining the hardness of the surface 1 of sample 2 (Figure 1), tool 3, in this case, an indenter, under the influence of normal force F N has the ability to penetrate into sample 2 by a value of h. The imprint 4 on the surface 1 has a rectangular shape with a size D of the diagonal. In this case, it is possible to plot a dependence of the depth h of the indent 4 on the normal force F N transmitted to the indenter tool, i.e.

h = f(F N ) . (1)

Figure 00000004
h = f (F N ) . (one)
Figure 00000004

Индентор - четырехгранная пирамида с углом 136° (алмазный индентор Виккерса). Одновременно здесь существует возможность определить значение микротвердости Н для каждого значения h по известной формулеIndenter - a tetrahedral pyramid with an angle of 136 ° (Vickers diamond indenter). At the same time, it is possible to determine the microhardness value H for each value of h using the well-known formula

H μ = 1854 ,4 m D 2 , гс/мм 2 ] , (2)

Figure 00000005
H μ = 1854 ,four m D 2 , [to gf / mm 2 ] , (2)
Figure 00000005

где D h 0 .14

Figure 00000006
[мкм]- размер диагонали отпечатка 4,Where D h 0 .fourteen
Figure 00000006
[μm] - the diagonal size of the print 4,

m=FN·10-3·g≈FN·10-2, [г] - эквивалентная масса навески для установки инструмента-индентора.m = F N · 10 -3 · g≈F N · 10 -2 , [g] is the equivalent mass of the sample for installing the indenter tool.

На основе (2) имеется возможность построить зависимостьBased on (2), it is possible to construct a dependence

H μ = f(h) , (3)

Figure 00000007
H μ = f (h) , (3)
Figure 00000007

отображающей градиент механических свойств образца по глубине h отпечатка 4. При оценке энергии активации пластической деформации имеется возможность применить также стандартный алмазный индентор Виккерса 3 (Фиг.2) с углом при вершине 60° четырехгранной пирамиды. Инструменту-индентору сообщается нормальная сила FN до заданной величины. Образец 2 может перемещаться в продольном направлении. На образце 2 образуется царапина 4 заданной глубины h. Одновременно с царапанием имеется возможность измерить силу царапания F и рассчитать величину энергии активации пластической деформации.reflecting the gradient of the mechanical properties of the sample along the depth h of indent 4. When evaluating the activation energy of plastic deformation, it is also possible to use the standard Vickers 3 diamond indenter (Figure 2) with an angle at the vertex of 60 ° of the tetrahedral pyramid. The tool-indenter is notified of the normal force F N to a predetermined value. Sample 2 can move in the longitudinal direction. A scratch 4 of a given depth h is formed on sample 2. Simultaneously with scratching, it is possible to measure the scratching force F and calculate the activation energy of plastic deformation.

При оценке триботехнических свойств материала поверхностного слоя образца 2 инструменту 3 - сферическому индентору сообщают нормальную нагрузку FN до заданной величины. Образцу 2 (Фиг.3) сообщают заданную скорость V и амплитуду перемещения. При этом действует сила трения Fτ. На образце 2 возникает царапина глубиной h. Величину линейного износа определяют как разницу текущего и начального показаний датчика вертикальных перемещений инструмента-индентора 3.When evaluating the tribotechnical properties of the material of the surface layer of sample 2, the tool 3 — the spherical indenter, is informed of the normal load F N to a predetermined value. Sample 2 (Figure 3) is informed of a predetermined speed V and amplitude of movement. In this case, the friction force Fτ acts. A scratch of depth h occurs on sample 2. The amount of linear wear is defined as the difference between the current and initial readings of the sensor of vertical movements of the tool-indenter 3.

При оценке шероховатости профилограммы поверхности 1 (Фиг.4) имеется возможность использовать инструмент - алмазную иглу 3 с углом при вершине 60°. Ей могут сообщить продольное перемещение с заданной скоростью V на заданную длину, равную заданной базовой длине в интервале 0,25…8 мм. При этом нормальная сила равна нулю, то есть FN=0.When assessing the roughness of the profilogram of surface 1 (Figure 4), it is possible to use a tool - a diamond needle 3 with an angle at the apex of 60 °. She can inform longitudinal movement with a given speed V for a given length equal to a given base length in the range of 0.25 ... 8 mm. In this case, the normal force is zero, that is, F N = 0.

При оценке волнистости поверхности 1 образца 2 (Фиг.5) имеется возможность использовать инструмент - алмазную либо твердосплавную иглу 3 со сферическим концом. Ей могут сообщать только нормальное перемещение, а образцу 2 - продольное перемещение с заданной скоростью на всю заданную длину поверхности 1 образца 2.When assessing the waviness of the surface 1 of sample 2 (Figure 5), it is possible to use a tool - a diamond or carbide needle 3 with a spherical end. Only normal movement can be reported to it, and longitudinal movement at a given speed over the entire given length of surface 1 of sample 2 can be given to sample 2.

При оценке прогнозирования остаточного ресурса материала поверхностного слоя образца есть возможность прогнозировать по текущему значению энергии активации пластической деформации, либо по кинематике изменения энергии активации пластической деформации.When evaluating the prediction of the residual resource of the material of the surface layer of the sample, it is possible to predict the activation energy of plastic deformation from the current value, or the kinematics of the change in the activation energy of plastic deformation.

При использовании первого варианта, то есть прогнозирования по текущему значению энергии активации пластической деформации, имеется возможность определять ожидаемое время наступления разрушения tрес и остаточный ресурс материала 5 в процентах от предшествующей наработкиWhen using the first option, that is, predicting the current value of the activation energy of plastic deformation, it is possible to determine the expected time of fracture tres and the residual life of the material 5 as a percentage of the previous operating time

t pec = 100 100 δ t эксп , ( 4 )

Figure 00000008
t pec = one hundred one hundred - δ t exp , ( four )
Figure 00000008

δ = 100 (1 U 0 U 0 исх U 0 кр U 0 исх ) (5)

Figure 00000009
δ = one hundred (one - U 0 - U 0 out U 0 cr - U 0 out ) (5)
Figure 00000009

где tэксп - длительность наработки материала в единицах времени; U0, U 0 исх

Figure 00000010
, U 0 кр
Figure 00000011
- текущее, исходное, критическое (предельно допустимое) значение энергии активации пластической деформации материала, соответственно.where t exp - the duration of the time the material in units of time; U 0 U 0 out
Figure 00000010
, U 0 cr
Figure 00000011
- current, initial, critical (maximum permissible) value of the activation energy of plastic deformation of the material, respectively.

В качестве текущего значения энергии активации пластической деформации принимается последнее измеренное значение энергии активации пластической деформации с помощью устройства.As the current value of the activation energy of plastic deformation, the last measured value of the activation energy of plastic deformation using the device is taken.

Если прогнозировать по кинетике изменения энергии активации пластической деформации (при наличии данных о начальном участке кинетики накопления энергии активации пластической деформации испытываемого материала), то есть возможность построить таблицу исходных данных, в которую входят ранее определенные значения энергии активации пластической деформации, относящиеся к данному материалу и соответствующие им значения наработки. Имеется возможность выбора вида аппроксимации: линейный или нелинейный. Программа по экспериментальным данным таблицы имеет возможность автоматически строить на экране монитора компьютера зависимость в координатах «наработка - энергия активации пластической деформации», аппроксимированную с использованием метода наименьших квадратов. Также на экран могут выводиться горизонтальные прямые, соответствующие начальному и критическому уровням энергии активации пластической деформации материала. Точность вычисления длительности наработки - до 1 с., энергии активации - до 0,1 кДж/моль. Коэффициенты линейной аппроксимации вида Р1(x)=а01·х есть возможность определить из системы уравнений:If we predict from the kinetics of changes in the activation energy of plastic deformation (if there is data on the initial portion of the kinetics of accumulation of activation energy of plastic deformation of the test material), then it is possible to construct a table of initial data that includes previously determined values of the activation energy of plastic deformation related to this material and operating time values corresponding to them. It is possible to select the type of approximation: linear or nonlinear. The program according to the experimental data of the table has the ability to automatically build on the computer screen a dependence in the coordinates "running hours - activation energy of plastic deformation", approximated using the least squares method. Also, horizontal lines corresponding to the initial and critical energy levels of activation of plastic deformation of the material can be displayed on the screen. The accuracy of calculating the operating time is up to 1 s., The activation energy is up to 0.1 kJ / mol. The coefficients of a linear approximation of the form P1 (x) = a 0 + a 1 · x can be determined from a system of equations:

( n + 1 ) a 0 + [ i = 0 n x i ] a 1 = i = 0 n y i ; [ i = 0 n x i ] a 0 + [ i = 0 n x i 2 ] a 1 = i = 0 n y i x i . ( 6 )

Figure 00000012
( n + one ) a 0 + [ i = 0 n x i ] a one = i = 0 n y i ; [ i = 0 n x i ] a 0 + [ i = 0 n x i 2 ] a one = i = 0 n y i x i . ( 6 )
Figure 00000012

Коэффициенты для нелинейной аппроксимации вида P2(x)=a0+a1·x+a2·x2 есть возможность найти из системы других уравнений:The coefficients for a nonlinear approximation of the form P2 (x) = a 0 + a 1 · x + a 2 · x 2 can be found from a system of other equations:

( n + 1 ) a 0 + [ i = 0 n x i ] a 1 + [ i = 0 n x i 2 ] a 2 = i = 0 n y i ; [ i = 0 n x i ] a 0 + [ i = 0 n x i 2 ] a 1 + [ i = 0 n x i 3 ] a 2 = i = 0 n y i x i , ( 7 ) [ i = 0 n x i 2 ] a 0 + [ i = 0 n x i 3 ] a 1 + [ i = 0 n x i 4 ] a 2 = i = 0 n y i x i 2 ;

Figure 00000013
( n + one ) a 0 + [ i = 0 n x i ] a one + [ i = 0 n x i 2 ] a 2 = i = 0 n y i ; [ i = 0 n x i ] a 0 + [ i = 0 n x i 2 ] a one + [ i = 0 n x i 3 ] a 2 = i = 0 n y i x i , ( 7 ) [ i = 0 n x i 2 ] a 0 + [ i = 0 n x i 3 ] a one + [ i = 0 n x i four ] a 2 = i = 0 n y i x i 2 ;
Figure 00000013

где a0, a1, a2 - коэффициенты аппроксимации; n+1 - число экспериментальных точек в координатах «энергия активации пластической деформации - наработка»; x - наработка материала; у - экспериментальные значения энергии активации пластической деформации, полученные по аппроксимированным зависимостям первого и второго порядка, соответственно.where a 0 , a 1 , a 2 - approximation coefficients; n + 1 is the number of experimental points in the coordinates "activation energy of plastic deformation - running hours"; x - material production time; y are the experimental values of the activation energy of plastic deformation obtained from the approximated dependences of the first and second order, respectively.

Есть возможность определить автоматически точку пересечения аппроксимированной зависимости с критическим значением энергии активации. Значение оси в точке пересечения указывает на прогнозируемое значение наработки материала, соответствующее моменту его разрушения.It is possible to automatically determine the intersection point of the approximated dependence with a critical value of activation energy. The value of the axis at the intersection point indicates the predicted value of the material production time corresponding to the moment of its destruction.

Описание способа и устройства в статике.Description of the method and device in statics.

Для реализации возможных шести операций служат измерительная и исполнительная системы устройства (Фиг.6). Измерительная система результатов воздействия на образец 1 инструмента 3 включает: датчик тангенциальной силы 5; датчик нормальной силы 6; датчик вертикальных (нормальных) перемещений 7; датчик горизонтальных (тангенциальных) перемещений 8; блок усилителей 9, на вход которого могут поступать сигналы с датчиков 5…8, аналогово-цифровой преобразователь 10, связанный на входе с выходом блока усилителей 9, а на выходе - с входом компьютера 11.To implement the possible six operations are measuring and actuating systems of the device (Fig.6). The measuring system of the results of the impact on the sample 1 of the tool 3 includes: tangential force sensor 5; normal force sensor 6; vertical (normal) displacement sensor 7; sensor of horizontal (tangential) displacements 8; an amplifier block 9, the input of which can receive signals from sensors 5 ... 8, an analog-to-digital converter 10, connected at the input to the output of the amplifier block 9, and at the output, to the input of the computer 11.

Исполнительная система содержит блок драйверов 12, имеющий возможность принимать на входе управляющие сигналы с компьютера 11, а на выходе связанный с исполнительными элементами. В качестве исполнительных элементов возможно использование шаговых двигателей, включая двигатель нормального нагружения 13, двигатель перемещения каретки 14, двигатель вертикальных перемещений траверсы 15, двигатель 16 перемещения столика 17 (двигатель 16 условно показан без редуктора).The executive system contains a driver block 12, which is able to receive control signals from the computer 11 at the input, and connected to the actuating elements at the output. As actuating elements, it is possible to use stepper motors, including a normal loading motor 13, a carriage displacement motor 14, a traverse vertical displacement motor 15, a stage 17 displacement motor 16 (the motor 16 is conventionally shown without a gearbox).

Конструктивная компоновка устройства показана на Фиг.7-11. Устройство состоит и корпуса 18 (фиг.7, 8, 9), коробчатой пустотелой формы, на которой установлены две параллельных колонны 19, пустотелые с вертикальными пазами. На колоннах 19 имеют возможность перемещаться ползушки 20 с закрепленной жестко на них траверсой 21 и механизмами фиксации траверсы 21 на колоннах 19. Механизмы фиксации траверсы 21 содержат рукоятки 22, винты 23 и обоймы 24. На траверсе 21 установлена инструментальная головка 25, закрытая кожухом 26. Корпус 18 внутри содержит привод перемещения траверсы 21 по колоннам 19, включающий шаговый электродвигатель 27, установленый на угольнике 28, ременную передачу 29, 30, 31 на вал 32 с червяками 33 на его концах, зацепляющимися с червячными зубчатыми колесами 34. Червячные зубчатые колеса 34 установлены на вертикальных винтах 35 ввинченных в резьбовые отверстия в ползушках 20. Вертикальные винты 35, установлены на подшипниках в колоннах 19 с возможностью вращения. На корпусе 18 установлена плита 36, несущая механизм и стол для установки и термо стабилизации образца (условно не показан), столик 17, механизм поворота образца в вертикальной плоскости, механизм тангенциального (продольного) перемещения образца. Механизм тангенциального перемещения образца выполнен в виде нижнего корпуса 37, соединенного с плитой 36 с возможностью перемещения по ее продольным направляющим (условно не показанным) посредством шагового электродвигателя 16, расположенного в нижнем корпусе 37, и реечной передачи, реечная шестерня 38 которой закреплена на роторе 39 шагового электродвигателя 16, а рейка 40 - на плите 36. Механизм нормального перемещения образца в вертикальной плоскости, скрепленный со столиком 17, выполнен в виде верхнего клина 41 и нижнего клина 42, установленного на верхнем корпусе 43 с возможностью перемещения по его направляющим (условно не показанным), посредством вращения рукоятки 44 ходового винта 45, закрепленного в подшипнике 46 верхнего корпуса 43 и связанного с резьбовым отверстием нижнего клина 42. В механизме поворота образца в вертикальной плоскости верхний корпус 43 соединен посредством плоской 47 и витой 48 пружин с нижним корпусом с возможностью поворота относительно его посредством механизма поворота образца в вертикальной плоскости, состоящего из маховика-рукоятки 49 винта 50, имеющего возможность вращения в гайке 51, закрепленный на нижнем корпусе 37 и упираться сферическим концом в пяту 52, закрепленную в верхнем корпусе 43. Инструментальная головка 25 предназначена для установки инструмента 3 (Фиг.11) на державке 53 посредством винтов. Державка 53 соединена с подвеской 54. Подвеска 54 упруго подвешена на каретке 55 посредством двух пар плоских пружин 56 и 57. Пружины 56 обеспечивают возможность плоско - параллельного перемещения подвески 54 в вертикальном (нормальном) направлении, а пружины 57 - в горизонтальном (тангенциальном) соответственно.The structural arrangement of the device shown in Fig.7-11. The device also consists of a housing 18 (Figs. 7, 8, 9), a box-shaped hollow shape, on which two parallel columns 19 are installed, hollow with vertical grooves. On the columns 19, the sprockets 20 are able to move with the traverse 21 fixedly on them and the traverse 21 fixing mechanisms on the columns 19. The traverse 21 fixing mechanisms contain handles 22, screws 23 and clips 24. A tool head 25 is installed on the traverse 21, closed by a casing 26. The housing 18 inside contains a drive to move the traverse 21 along the columns 19, including a stepper motor 27 mounted on an elbow 28, a belt drive 29, 30, 31 on the shaft 32 with worms 33 at its ends, engaged with worm gears 34. Worms The primary gears 34 are mounted on vertical screws 35 screwed into threaded holes in the spiders 20. Vertical screws 35 are mounted on bearings in the columns 19 for rotation. A plate 36 is installed on the body 18, a supporting mechanism and a table for installing and thermally stabilizing the sample (not shown conditionally), stage 17, the mechanism for rotating the sample in a vertical plane, the mechanism of tangential (longitudinal) movement of the sample. The tangential movement of the sample is made in the form of a lower case 37 connected to the plate 36 with the possibility of movement along its longitudinal guides (not shown conditionally) by means of a stepping motor 16 located in the lower case 37 and a rack and pinion gear, the pinion gear 38 of which is mounted on the rotor 39 a stepper motor 16, and the rail 40 - on the plate 36. The mechanism of normal movement of the sample in a vertical plane, fastened with a table 17, is made in the form of an upper wedge 41 and a lower wedge 42 installed on the upper case 43 with the possibility of moving along its guides (not shown conditionally), by rotation of the handle 44 of the lead screw 45, mounted in the bearing 46 of the upper case 43 and connected with the threaded hole of the lower wedge 42. In the mechanism of rotation of the sample in the vertical plane, the upper case 43 connected by means of a flat 47 and twisted 48 springs to the lower case with the possibility of rotation relative to it by means of a sample rotation mechanism in a vertical plane, consisting of a handwheel-handle 49 of a screw 50 having zmozhnost rotation in the nut 51 fixed to the lower housing 37 and abut a spherical end heel 52, attached to upper housing 43. The tool head 25 is designed to install the tool 3 (11) on the tool holder 53 by means of screws. The holder 53 is connected to the suspension 54. The suspension 54 is resiliently suspended on the carriage 55 by means of two pairs of flat springs 56 and 57. The springs 56 enable the suspension 54 to move in parallel (vertical) direction and the springs 57 in the horizontal (tangential) direction, respectively .

Инструмент 3 имеет возможность осуществить названные перемещения посредством двух линейных шаговый электродвигателей 13 и 14 имеющих возможность перемещать каретку 55 в двух взаимно перпендикулярных направлениях: по вертикали и по горизонтали, соответственно.Tool 3 has the ability to carry out the named movements by means of two linear stepper motors 13 and 14 having the ability to move the carriage 55 in two mutually perpendicular directions: vertically and horizontally, respectively.

Инструментальная головка 25 снабжена механизмом нормального перемещения инструмента 3, состоящего из дискового кулачка 58, имеющего возможность поворачиваться на собственной оси 59 под действием рукоятки 60.The tool head 25 is equipped with a mechanism for the normal movement of the tool 3, consisting of a disk cam 58, which has the ability to rotate on its own axis 59 under the action of the handle 60.

Описание способа и устройства в динамике.Description of the method and device in dynamics.

Включают электропитание устройства от однофазной сети переменного тока промышленной частоты. Включают блок обработки информации, реализованный на базе персонального компьютера 11. Загружают рабочую программу. Поворачивают ручку 60 фиксации инструмента 3 в положение «измерение». При этом кулачок 58 отводят от подвески 54, освобождая ее. Подвеска 54 при этом подвешивается на системе из четырех плоскопараллельных пружин 56, 57.They turn on the device’s power supply from a single-phase AC network of industrial frequency. Include the information processing unit, implemented on the basis of a personal computer 11. Download the work program. Turn the knob 60 of the fixation of the tool 3 to the "measurement" position. In this case, the cam 58 is diverted from the suspension 54, freeing it. Suspension 54 is suspended from a system of four plane-parallel springs 56, 57.

Образец 2, подлежащий испытанию, после обезжиривания и сушки устанавливают на столике 17 таким образом, чтобы исследуемая поверхность 1 с помощью механизма поворота образца в вертикальной плоскости (рукояткой 49) заняла горизонтальное положение под инструментом. С помощью рабочей программы выбирают вид испытаний из числа реализуемых устройством способов:The sample 2 to be tested, after degreasing and drying, is installed on the table 17 so that the test surface 1, using the mechanism of rotation of the sample in a vertical plane (handle 49), occupies a horizontal position under the tool. Using the work program, select the type of test from among the methods implemented by the device:

- подготовка к испытаниям (алгоритм частный А);- preparation for testing (private algorithm A);

- оценка микротвердости (алгоритм частный Б);- microhardness assessment (private B algorithm);

- оценка шероховатости при профилографировании-профилометрировании (алгоритм частный В);- roughness assessment during profiling, profiling (algorithm private B);

- оценка энергии активации пластической деформации (алгоритм частный Г);- assessment of the activation energy of plastic deformation (private algorithm G);

- оценка триботехнических свойств материала (алгоритм частный Д);- assessment of tribological properties of the material (private algorithm D);

- прогнозирование остаточного ресурса (алгоритм частный Е);- prediction of residual life (private algorithm E);

- оценка волнистости при профилографировании-профилометрировании (алгоритм частный Ж).- assessment of waviness during profiling-profiling (algorithm private F).

При реализации частного алгоритма А: вводят молярный объем материала Vm (блок 4); начальное значение энергии активации пластической деформации U 0 исх

Figure 00000010
(блок 5); максимальную нормальную нагрузку FNmax (блок 6); критическое значение энергии активации пластической деформации U 0 кр
Figure 00000011
(блок 7); ставится вопрос: следует ли калибровать датчик вертикальных перемещений? (блок 8). Если да, то фиксируют напряжение, соответствующее «нулевому» уровню инструмента-индентора (блок 9); опускают инструмент-индентор на 10 мкм и фиксируют соответствующее напряжение (блок 10); рассчитывают калибровочные коэффициенты датчика вертикальных перемещений (блок 11); ставят вопрос: следует ли выйти из режима подготовки к испытаниям? (блок 12). Если да, то выводят на печать (блок 96). Если нет, то следует возврат к началу алгоритма А. Если в блоке 8 получают отрицательный ответ, то ставится второй вопрос: калибровать ли датчик тангенциальной силы? (блок 13). Если да, то фиксируют напряжение, соответствующее «нулевому» уровню тангенциальной силы (блок 14); нагружают датчик силой 1Н и фиксируют соответствующее напряжение (блок 15). Рассчитывают калибровочные коэффициенты датчика тангенциальной силы (блок 16). Если следует выйти из режима подготовки к испытаниям (блок 12), то выводят на печать (блок 96), если нет, то возвращаются на начало частного алгоритма А. Если в блоке 13 получают отрицательный ответ, то ставят третий вопрос: Калибровать ли датчик нормальной силы? (блок 17). Если да, то фиксируют напряжение, соответствующее «нулевому» уровню нормальной силы (блок 18). Нагружают датчик силой 1Н и фиксируют соответствующее напряжение (блок 19). Рассчитывают калибровочные коэффициенты датчика нормальной силы (блок 20). Снова ставится вопрос о выходе из режима подготовки к испытаниям? (блок 12). Если да, то вывод на печать (блок 96). Если нет, то следует возврат к началу алгоритма А. Если в блоке 17 получают отрицательный ответ, то следует возврат к началу алгоритма А.When implementing the private algorithm A: enter the molar volume of the material V m (block 4); the initial value of the activation energy of plastic deformation U 0 out
Figure 00000010
(block 5); maximum normal load F Nmax (block 6); critical value of activation energy of plastic deformation U 0 cr
Figure 00000011
(block 7); the question is: should the vertical displacement sensor be calibrated? (block 8). If yes, then fix the voltage corresponding to the "zero" level of the tool-indenter (block 9); lower the indenter tool by 10 μm and fix the corresponding voltage (block 10); calculate the calibration coefficients of the vertical displacement sensor (block 11); pose the question: should I exit the test preparation mode? (block 12). If yes, then print (block 96). If not, then return to the beginning of algorithm A. If in block 8 you get a negative answer, then the second question is posed: should the tangential force sensor be calibrated? (block 13). If yes, then fix the voltage corresponding to the "zero" level of tangential force (block 14); load the sensor with a force of 1H and fix the corresponding voltage (block 15). Calculate the calibration coefficients of the tangential force sensor (block 16). If you want to exit the test preparation mode (block 12), then print it (block 96), if not, then return to the beginning of the private algorithm A. If you get a negative answer in block 13, then the third question is posed: Is the sensor calibrated normal strength? (block 17). If yes, then fix the voltage corresponding to the "zero" level of normal force (block 18). The sensor is loaded with a force of 1 N and the corresponding voltage is recorded (block 19). The calibration coefficients of the normal force sensor are calculated (block 20). Again, the question arises of leaving the test preparation mode? (block 12). If so, print output (block 96). If not, then return to the beginning of algorithm A. If in block 17 you get a negative answer, then you should return to the beginning of algorithm A.

При реализации частного алгоритма Б вводят максимальное значение глубины внедрения инструмента-индентора (блок 23); включают двигатель перемещения каретки и смещают инструмент-индентор вперед на 20 мкм (блок 24); обнуляют показания датчика вертикальных перемещений (блок 25); включают двигатель нормального нагружения (блок 26); осуществляют сбор данных (в процессе нагружения) с датчиков вертикальных перемещений инструмента-индентора и нормальной нагрузки на инструмент-индентор с выводом значений на монитор (блок 27); рассчитывают и выводят на экран монитора эпюру изменения микротвердости по глубине (блок 28). Если глубина внедрения достигла заданной величины (блок 29), то разгружают инструмент-индентор (блок 30) и вывод на печать (блок 96). Если нет, то выясняют: нагрузка достигла максимальной величины? (блок 31). Если да, то разгружают инструмент-индентор (блок 30) и выводят на печать (блок 96).When implementing private algorithm B, the maximum value of the depth of implementation of the indenter tool is entered (block 23); turn on the carriage displacement motor and shift the indenter tool forward by 20 μm (block 24); zero the readings of the vertical displacement sensor (block 25); turn on the engine of normal loading (block 26); collect data (during loading) from the sensors of vertical displacements of the tool-indenter and normal load on the tool-indenter with the output of values to the monitor (block 27); calculate and display on the monitor screen a plot of microhardness changes in depth (block 28). If the penetration depth has reached a predetermined value (block 29), then the indenter tool (block 30) and printing output (block 96) are unloaded. If not, they find out: has the load reached its maximum value? (block 31). If so, unload the indenter tool (block 30) and print (block 96).

Если нет, то возвращаются к расчету эпюры изменения микротвердости по глубине (блок 28).If not, then return to the calculation of the plot of the microhardness changes in depth (block 28).

При реализации частного алгоритма В: вводят значение базовой длины (блок 34); включают двигатель перемещения каретки и смещают инструмент - алмазную иглу вперед на 20 мкм (блок 35); обнуляют показания датчика вертикальных перемещений (блок 36); включают двигатель перемещения каретки (блок 37); выполняют сбор данных с датчика вертикальных перемещений инструмента - алмазной иглы (в процессе движения каретки) с шагом по горизонтали 1 мкм и выводят профилограмму на экран монитора (блок 38). Выясняют: перемещение каретки достигло заданной базовой длины? (блок 39). Если да, то возвращают каретку в исходное положение (блок 40); рассчитывают и выводят на экран среднюю линию профиля, линии впадин и выступов (блок 41); рассчитывают и выводят на экран кривую опорной поверхности (блок 42); рассчитывают и выводят на экран монитора параметры Rmax, Rp, Rz, Ra, tm, Rpk, RVk (блок 43); сохраняют полученные данные в файле (блок 44); вывод на печать (блок 96). Если нет (блок 39), то возвращаются в блок 38.When implementing a private algorithm B: enter the value of the base length (block 34); turn on the carriage moving engine and shift the tool — the diamond needle forward by 20 microns (block 35); zero the readings of the vertical displacement sensor (block 36); include a carriage displacement engine (block 37); collect data from the sensor of vertical movements of the tool - a diamond needle (in the process of carriage movement) with a horizontal step of 1 μm and display the profilogram on the monitor screen (block 38). Find out: the carriage has reached the specified base length? (block 39). If so, then return the carriage to its original position (block 40); calculate and display the middle line of the profile, the line of depressions and protrusions (block 41); calculate and display the curve of the supporting surface (block 42); calculate and display on the monitor screen the parameters Rmax, Rp, Rz, Ra, tm, Rpk, RVk (block 43); save the received data in a file (block 44); printing (block 96). If not (block 39), then return to block 38.

При реализации частного алгоритма Г: вводят максимальную глубину царапания и длину царапины (блок 47; включают двигатель перемещения каретки и смещают инструмент-индентор вперед на 20 мкм (блок 48; обнуляют показания датчика вертикальных перемещений инструмента-индентора (блок 49; включают двигатель нормального нагружения инструмента-индентора (блок 50); собирают данные с датчика вертикальных перемещения (в процессе нагружения) и нормальной нагрузки (блок 51); если глубина внедрения достигла заданной величины (блок 52), то выключают двигатель нормального нагружения индентора и включают двигатель перемещения каретки (блок 53); собирают данные с датчиков вертикальных перемещений, нормальной и тангенциальной нагрузки, рассчитывают значение энергии активации пластической деформации (блок 54); выводят показания датчиков и расчетные значения энергии активации на экран монитора (блок 55); разгружают инструмент-индентор (блок 56); возвращают каретку в исходное положение (блок 57); сохраняют полученные данные (блок 58); выводят на печать (блок 96). Если в блоке 52 отрицательный ответ, то при достижении нагрузки максимальной величины (блок 59) переходят в блок 53. Если в блоке 59 получают отрицательный ответ, то возвращаются в блок 51 - продолжают сбор данных.When implementing private algorithm D: enter the maximum scratching depth and the length of the scratch (block 47; turn on the carriage displacement motor and move the indenter tool forward by 20 μm (block 48; zero the readings of the vertical displacement sensor of the indenter tool (block 49; turn on the normal loading motor tool-indenter (block 50); collect data from the sensor of vertical displacement (during loading) and normal load (block 51); if the penetration depth has reached a predetermined value (block 52), then turn off the engine but indenter loading and turn on the carriage displacement engine (block 53); collect data from sensors of vertical displacements, normal and tangential loads, calculate the value of activation energy of plastic deformation (block 54); display sensor readings and calculated values of activation energy on the monitor screen (block 55 ); unload the indenter tool (block 56); return the carriage to its original position (block 57); save the received data (block 58); print (block 96). If in block 52 the answer is no, then when the load reaches its maximum value (block 59) they go to block 53. If in block 59 they get a negative answer, then they return to block 51 and continue collecting data.

При реализации частного алгоритма Д: вводят амплитуду перемещений, число двойных ходов инструмента - сферического наконечника, нормальную нагрузку, максимальный допустимый линейный износ (блок 62); включают двигатель нормального нагружения, нагружают инструмент - сферический наконечник до заданной величины (блок 63);When implementing the private algorithm D: enter the amplitude of displacements, the number of double strokes of the tool - a spherical tip, normal load, maximum allowable linear wear (block 62); turn on the engine of normal loading, load the tool - a spherical tip to a predetermined value (block 63);

включают двигатель перемещения каретки, смещают инструмент - сферический наконечник вперед на 20 мкм (блок 64); обнуляют показания датчика вертикальных перемещений (блок 65); включают двигатель перемещения каретки в режиме возвратно-поступательного движения с заданной амплитудой (блок 66); собирают данные с датчиков вертикальных перемещений, нормальной и тангенциальной нагрузки (блок 67); выводят данные о нормальной нагрузке, силе трения и линейном износе на экран монитора (блок 68); если число двойных ходов достигло заданной величины (блок 69), то возвращают каретку в исходное положение и выключают двигатель перемещения каретки (блок 70); сохраняют полученные данные в файле (блок 71); выводят на печать (блок 96); если в блоке 69 получают отрицательный ответ, то ставят второй вопрос (блок 72): линейный износ достиг заданной величины? Если да, то продолжают - возвращая каретку в исходное положение и т.д. (блок 70). Если нет, то возвращаются в блок 67.turn on the carriage displacement engine, shift the tool — the spherical tip forward by 20 microns (block 64); zero the readings of the vertical displacement sensor (block 65); include a carriage displacement engine in the reciprocating motion mode with a predetermined amplitude (block 66); collect data from sensors of vertical displacements, normal and tangential loads (block 67); display data on normal load, friction force and linear wear on the monitor screen (block 68); if the number of double strokes has reached a predetermined value (block 69), then the carriage is returned to its original position and the carriage displacement motor is turned off (block 70); save the received data in a file (block 71); print (block 96); if in block 69 they get a negative answer, they ask the second question (block 72): did the linear wear reach the set value? If so, then continue - returning the carriage to its original position, etc. (block 70). If not, then return to block 67.

При реализации частного алгоритма Е: ставят вопрос о выборе режима прогнозирования - по кинетике изменения энергии активации пластической деформации? (блок 74). При положительном ответе вводят текущие значения энергии активации пластической деформации и соответствующие им значения наработки исследуемого образца (блок 75); аппроксимируют экспериментальные данные методом наименьших квадратов, находят коэффициенты аппроксимированной зависимости (блок 76); выводят на экран монитора зависимость «энергия активации пластической деформации - наработка», на ней отображают начальный и критический уровень энергии активации пластической деформации для данного материала, экспериментальные точки, аппроксимированную кривую (блок 77); экстраполируют аппроксимированную кривую до пересечения с критическим уровнем энергии активации пластической деформации, в этой точке находят соответствующую наработку (блок 78); рассчитывают прогнозируемый остаточный ресурс материала в единицах наработки (блок 79); сохраняют полученные данные в файле (блок 80); выводят на печать (блок 96). При отрицательном ответе в блоке 74 выводят текущее значение энергии активации пластической деформации (вводят последнее найденное экспериментальное значение - по умолчанию) (блок 81); рассчитывают прогнозируемый остаточный ресурс материала - в процентах (блок 82); переходят в блок 80 - сохранение данных в файле и печать (блок 96).When implementing a particular algorithm E: they pose the question of choosing a prediction mode — according to the kinetics of changes in the activation energy of plastic deformation? (block 74). If the answer is yes, the current values of the activation energy of plastic deformation and the corresponding values of the operating time of the test sample are entered (block 75); approximate the experimental data by the least squares method, find the coefficients of the approximated dependence (block 76); the dependence “activation energy of plastic deformation - running hours” is displayed on the monitor screen, the initial and critical level of activation energy of plastic deformation for a given material, experimental points, and an approximated curve are displayed on it (block 77); extrapolate the approximated curve to the intersection with the critical level of activation energy of plastic deformation, at this point find the corresponding operating time (block 78); calculate the predicted residual resource of the material in production units (block 79); save the received data in a file (block 80); print (block 96). If the answer is no, the current value of the activation energy of plastic deformation is displayed in block 74 (the last experimental value found is entered - by default) (block 81); calculate the predicted residual resource of the material in percent (block 82); go to block 80 - saving data in a file and printing (block 96).

При реализации частного алгоритма Ж вводят длину сканирования поверхности (блок 85); включают двигатель перемещения каретки, смещают инструмент - алмазную иглу вперед на 20 мкм (блок 86); обнуляют показания датчика вертикальных перемещений (блок 87); включают двигатель перемещения столика с образцом (блок 88); собирают данные с датчика вертикальных перемещений инструмента - алмазной иглы с шагом по горизонтали 10 мкм, выводят волнограмму на экран монитора (блок 89); если перемещение столика с образцом достигло заданной величины? (блок 90), то возвращают стол с образцом в исходное положение (блок 91); рассчитывают и выводят на экран монитора линии вершин, среднего профиля, линию впадин (блок 92); рассчитывают и выводят на экран монитора параметры W2, SB (блок 93); сохраняют полученные данные в файле (блок 94), выводят на печать (блок 96). Если в блоке 90 получают отрицательный ответ, то возвращаются в блок 89.When implementing the private algorithm W, the surface scanning length is entered (block 85); turn on the carriage moving engine, shift the tool — the diamond needle forward by 20 microns (block 86); zero the readings of the vertical displacement sensor (block 87); turn on the engine moving the table with the sample (block 88); collect data from the sensor of vertical movements of the tool - a diamond needle with a horizontal step of 10 microns, display a waveogram on the monitor screen (block 89); if the movement of the table with the sample has reached a predetermined value? (block 90), then return the table with the sample to its original position (block 91); calculate and display on the monitor screen lines of the peaks, the middle profile, the line of troughs (block 92); calculate and display on the monitor screen the parameters W 2 , S B (block 93); save the received data in a file (block 94), print it (block 96). If a negative response is received in block 90, then they are returned to block 89.

Примеры реализации заявляемых способа и устройства.Examples of the implementation of the proposed method and device.

Исследовали качество поверхности посеребренной бронзовой шайбы герметизированной опоры бурового долота. Покрытие - наноструктурированное серебряно-алмазное (толщина 20 мкм), основа - бериллиевая бронза БрБ2 ГОСТ 18175-78 (твердость после старения НВ 350), подслой - медь (толщина 1 мкм). Размеры шайбы: наружный диаметр - 50 мм, диаметр отверстия - 20 мм, толщина - 2,5 мм.The surface quality of the silver-plated bronze washer of the sealed drill bit support was investigated. The coating is nanostructured silver-diamond (thickness 20 microns), the base is BrB2 beryllium bronze GOST 18175-78 (hardness after aging HB 350), the sublayer is copper (thickness 1 micron). Washer dimensions: outer diameter - 50 mm, hole diameter - 20 mm, thickness - 2.5 mm.

Установили шайбу на столике устройства, прихватив шайбу с двух противоположных сторон пластилином для исключения тангенциальных перемещений шайбы по столу при испытаниях. Включили устройство, запустили компьютер и прогрели в течение 15 минут. Запустили на компьютере рабочую программу, при этом открылось главное окно рабочей программы, на котором приведено главное меню с опциями выбора вариантов функционирования устройства: «Подготовка к испытаниям»; «Оценка микротвердости»; «Профилографирование - шероховатость»; «Склерометрирование»; «Трибометрирование»; «Прогнозирование ресурса»; «Профилографирование - волнистость»; «Закрыть программу». Опустили перекладину портала до соприкосновения индентора с поверхностью шайбы. Обнулили показание датчика вертикальных перемещений.We installed the washer on the device’s table, grabbing the washer on two opposite sides with plasticine to exclude tangential movements of the washer on the table during testing. They turned on the device, started the computer and warmed up for 15 minutes. They started the working program on the computer, and the main window of the working program opened, on which the main menu with options for choosing the options for the device’s functioning is shown: “Preparing for testing”; "Assessment of microhardness"; "Profiling - roughness"; "Sclerometry"; "Tribometry"; "Resource Prediction"; "Profiling - waviness"; "Close the program." The portal bar was lowered until the indenter touched the surface of the washer. Reset the vertical displacement sensor.

Пример №1 реализации частного алгоритма «А».Example No. 1 of the implementation of the private algorithm “A”.

Включили режим подготовки к испытаниям. Ввели в соответствующие окна рабочей программы: молярный объем серебра Vm=10300 кДж/моль; начальное значение энергии активации пластической деформации uн=64 кДж/моль; максимальную нормальную нагрузку на инструмент-индентор FNmax=3 Н; критическое значение энергии активации пластической деформации u*=110 кД/моль. Сохранили введенные данные в памяти компьютера. Нажали на кнопку «Главное меню» и вышли в главное окно рабочей программы.They included the test preparation mode. They entered into the corresponding windows of the work program: the molar volume of silver V m = 10300 kJ / mol; the initial value of the activation energy of plastic deformation u n = 64 kJ / mol; maximum normal load on the indenter tool F Nmax = 3 N; the critical value of the activation energy of plastic deformation u * = 110 kD / mol. Saved the entered data in computer memory. They clicked on the “Main Menu” button and went to the main window of the work program.

Пример №2 реализации частного алгоритма «Б».Example No. 2 of the implementation of the private algorithm "B".

Включили режим оценки микротвердости. Установили в державку инструмент - стандартный алмазный наконечник Виккерса с квадратным основанием и межгранным углом при вершине 136°. Ввели значение глубины внедрения инструмента - индентора h=3 мкм. Нажали на кнопку «Старт». Устройство автоматически переместило индентор на 20 мкм влево и обнулило показания датчика вертикальных перемещений. Далее автоматически включился двигатель нормального нагружения. При этом на экране компьютера начала строиться зависимость микротвердости Нµ от глубины внедрения инструмента-индентора h. После достижения заданной величины h=3 мкм двигатель нормального нагружения остановился и начал возвращаться в исходное состояние до полной разгрузки инструмента - индентора. Микротвердость на глубине 1 мкм составила 102 кгс/мм2, на глубине 2 мкм - 87 кгс/мм2, на глубине 3 мкм - 85 кгс/мм2. Сохранили полученные данные в памяти компьютера. Нажали на кнопку «Главное меню» и вышли в главное окно рабочей программы.The microhardness assessment mode was turned on. A tool was installed in the holder - a standard Vickers diamond tip with a square base and an inter-facet angle at an apex of 136 °. We introduced the value of the penetration depth of the tool - indenter h = 3 μm. Clicked on the "Start" button. The device automatically moved the indenter 20 μm to the left and zeroed the readings of the vertical displacement sensor. Then, the engine of normal loading turned on automatically. In this case, the dependence of the microhardness Нµ on the penetration depth of the tool-indenter h began to be built on the computer screen. After reaching the specified value h = 3 μm, the normal loading engine stopped and began to return to its original state until the tool - indenter was completely unloaded. The microhardness at a depth of 1 μm was 102 kgf / mm 2 , at a depth of 2 μm - 87 kgf / mm 2 , at a depth of 3 μm - 85 kgf / mm 2 . Saved the data in computer memory. They clicked on the “Main Menu” button and went to the main window of the work program.

Пример №3 реализации частного алгоритма «Ж».Example No. 3 of the implementation of the private algorithm "Zh".

Включили режим профилографирования волнистости. Установили в державку инструмент - сферический стальной индентор (⌀ 3 мм). Переместили столик с образцом на 1 мм вправо относительно индентора. Выбрали в диалоговом окне режим построения волнограммы. Ввели длину сканирования поверхности L=20 мм и нажали на кнопку «Старт». Устройство автоматически переместило инструмент на 20 мкм влево и обнулило показания датчика вертикальных перемещений. Далее устройство автоматически провело сканирование профиля поверхности шайбы в течение 37 секунд (по хорде). В процессе сканирования на экране компьютера строилась волнограмма поверхности. После завершения сканирования инструмент вернулся в исходное состояние. На экране монитора автоматически построились средняя линия профиля, линии вершин и впадин и параметры волнистости поверхности шайбы: высоту волнистости WZ=4,2 мкм; шаг волнистости SW=5431 мкм. Сохранили полученные данные в памяти компьютера. Нажали на кнопку «Главное меню» и вышли в главное окно рабочей программы.We turned on the mode of profiling waviness. A tool was installed in the holder - a spherical steel indenter (⌀ 3 mm). Move the table with the sample 1 mm to the right relative to the indenter. In the dialog box, we selected the waveogram construction mode. Enter the scan length of the surface L = 20 mm and click on the "Start" button. The device automatically moved the tool 20 μm to the left and reset the vertical encoder to zero. Then the device automatically scanned the profile of the surface of the washer for 37 seconds (along the chord). In the process of scanning, a waveogram of the surface was built on a computer screen. After the scan is completed, the instrument returned to its original state. On the monitor screen, the average profile line, the lines of the peaks and troughs, and the parameters of the undulation of the surface of the washer were automatically constructed: the height of the undulation W Z = 4.2 μm; waviness step S W = 5431 μm. Saved the received data in computer memory. They clicked on the “Main Menu” button and went to the main window of the work program.

Пример №4 реализации частного алгоритма «В».Example No. 4 of the implementation of the private algorithm "B".

Включили режим профилографирования - шероховатости. Установили в державку инструмент - конический индентор с углом при вершине 60°. Переместили столик с образцом на 1 мм вправо относительно инструмента-индентора. В диалоговом окне отказались от режима построения волнограммы. Ввели базовую длину lб=1,6 мм и нажали на кнопку «Старт». Устройство автоматически провело сканирование профиля поверхности в течение 3 секунд. В процессе сканирования на экране компьютера строилась профилограмма поверхности. После завершения сканирования инструмент вернулся в исходное состояние. На экране монитора высветилась кривая опорной поверхности и параметры шероховатости поверхности шайбы: Rmax=24 мкм; Rp=1,3 мкм; RZ=1,1 мкм; Ra=0,3 мкм. Сохранили полученные данные в памяти компьютера. Нажали на кнопку «Главное меню» и вышли в главное окно рабочей программы.We switched on the profiling mode - roughness. We installed a tool in the holder - a conical indenter with an angle at the apex of 60 °. Move the table with the sample 1 mm to the right relative to the indenter tool. In the dialog box, the waveogram construction mode was abandoned. Enter the base length l b = 1.6 mm and click on the "Start" button. The device automatically scanned the surface profile for 3 seconds. During scanning, a surface profilogram was built on a computer screen. After the scan is completed, the instrument returned to its original state. The curve of the supporting surface and the roughness parameters of the washer surface were displayed on the monitor screen: R max = 24 μm; R p = 1.3 μm; R Z = 1.1 μm; R a = 0.3 μm. Saved the received data in computer memory. They clicked on the “Main Menu” button and went to the main window of the work program.

Пример №5 реализации частного алгоритма «Г».Example No. 5 of the implementation of the private algorithm "G".

Включили режим склерометрирования. Установили в державку инструмент - стандартный алмазный наконечник Виккерса с квадратным основанием и межгранным углом при вершине 136°. Переместили столик с образцом на 1 мм вправо относительно инструмента - индентора. Ввели значения глубины царапания h=3 мкм, длины царапины Lц=400 мкм и нажали на кнопку «Старт». Устройство автоматически переместило инструмент-индентор на 20 мкм влево и обнулило показания датчика вертикальных перемещений. Далее автоматически включился двигатель нормального нагружения при этом на экране компьютера началось отображение показаний датчика нормальной силы. После достижения заданной величины глубины внедрения инструмента-индентора h=3 мкм двигатель нормального нагружения остановился. Далее автоматически включился двигатель перемещения каретки и начал перемещать инструмент-индентор влево на заданную величину длины царапины. При этом на экране монитора отображались графики зависимостей глубины внедрения инструмента-индентора, нормальной и тангенциальной сил от величины тангенциального перемещения инструмента-индентора, а также отображалась расчетная зависимость энергии активации пластической деформации от величины тангенциального перемещения инструмента-индентора. После достижения длины царапины заданной величины двигатель нормального нагружения инструмента-индентора возвращается в исходное состояние, разгружая инструмент-индентор, а двигатель перемещения каретки возвращает каретку в исходное состояние. В соответствующем окне высветилось усредненное значение энергии активации пластической деформации. Полученное значение энергии активации пластической деформации (um=70 кДж/моль) сохранили в памяти компьютера. Нажали на кнопку «Главное меню» и вышли в главное окно рабочей программы.We included the sclerometry mode. A tool was installed in the holder - a standard Vickers diamond tip with a square base and an inter-facet angle at an apex of 136 °. We moved the table with the sample 1 mm to the right relative to the tool - indenter. We entered the values of the depth of scratching h = 3 μm, the length of the scratch L c = 400 μm and clicked on the "Start" button. The device automatically moved the indenter tool 20 microns to the left and zeroed the readings of the vertical displacement sensor. Then, the engine of normal loading automatically turned on, and on the computer screen the display of the readings of the normal force sensor began. After reaching the specified value of the depth of penetration of the tool-indenter h = 3 μm, the engine of normal loading stopped. Next, the carriage displacement motor automatically turned on and began to move the indenter tool to the left by a predetermined value of the scratch length. At the same time, the graphs of the dependences of the penetration depth of the indenter tool, normal and tangential forces on the tangential displacement of the indenter tool were displayed on the monitor screen, and the calculated dependence of the activation energy of plastic deformation on the tangential displacement of the indenter tool was also displayed. After reaching the specified scratch length, the engine of normal loading of the tool-indenter returns to its original state, unloading the tool-indenter, and the motor for moving the carriage returns the carriage to its original state. In the corresponding window, the average value of the activation energy of plastic deformation was highlighted. The obtained value of the activation energy of plastic deformation (u m = 70 kJ / mol) was stored in computer memory. They clicked on the “Main Menu” button and went to the main window of the work program.

Пример №6 реализации частного алгоритма «Д».Example No. 6 of the implementation of the private algorithm "D".

Включили режим трибометрирования. Установили в державку инструмент - сферический стальной наконечник (⌀ 3 мм). Смазали поверхность шайбы смазкой «Циатим-201». Ввели значение амплитуды перемещения наконечника А=1,5 мм, число двойных ходов N=1000, нормальную нагрузку FN=0,5 H, максимальный линейный износ Wh=10 мкм. Переместили столик с образцом на 1 мм вправо относительно индентора. Нажали на кнопку «Старт». Далее автоматически включился двигатель нормального нагружения до появления заданной величины нормальной нагрузки, действующей через наконечник на исследуемую поверхность.The tribometry mode is on. A tool was installed in the holder - a spherical steel tip (⌀ 3 mm). Lubricated the surface of the washer with Tsiatim-201 grease. The value of the tip movement amplitude A = 1.5 mm, the number of double strokes N = 1000, the normal load F N = 0.5 H, and the maximum linear wear W h = 10 μm were introduced. Move the table with the sample 1 mm to the right relative to the indenter. Clicked on the "Start" button. Then, the engine of normal loading automatically turned on until the specified value of the normal load acting through the tip on the test surface appears.

Устройство автоматически переместило сферический наконечник на 20 мкм влево и обнулило показания датчика вертикальных перемещений. Далее автоматически включился двигатель перемещения каретки в режиме возвратно-поступательного движения с заданной амплитудой. При этом на экране компьютера начались строиться эпюры показаний датчиков нормальной и тангенциальной сил, а также вертикальных перемещений (линейного износа). После достижения заданного значения числа двойных ходов двигатель нормального нагружения разгрузил индентор. Достигнутая величина линейного износа составила Wh=6,5 мкм, амплитуда силы трения составила 0,11Н. Сохранили полученные данные в памяти компьютера. Нажали на кнопку «Главное меню» и вышли в главное окно рабочей программы.The device automatically moved the spherical tip to 20 μm to the left and reset the readings of the vertical displacement sensor. Then, the carriage displacement motor automatically switched on in the reciprocating motion mode with a given amplitude. At the same time, diagrams of readings of sensors of normal and tangential forces, as well as vertical displacements (linear wear) began to be built on the computer screen. After reaching the set value of the number of double strokes, the normal loading motor unloaded the indenter. The achieved linear wear was W h = 6.5 μm, the amplitude of the friction force was 0.11 N. Saved the received data in computer memory. They clicked on the “Main Menu” button and went to the main window of the work program.

Пример №7 реализации частного алгоритма «Е».Example No. 7 of the implementation of the private algorithm "E".

Включили режим прогнозирования ресурса. Отказались от режима прогнозирования ресурса по кинетике изменения энергии активации пластической деформации. В окне ввода текущего значения энергии активации пластической деформации оставили без изменения введенное туда по умолчанию последнее измеренное значение энергии активации пластической деформации um=70 кДж/моль. Нажали на кнопку «Старт». Программа автоматически рассчитала прогнозируемый остаточный ресурс материала поверхностного слоя исследованной шайбы, который составил δ=87%. Сохранили полученные данные в памяти компьютера. Нажали на кнопку «Главное меню» и вышли в главное окно рабочей программы.Enabled resource prediction mode. They abandoned the resource prediction mode according to the kinetics of changes in the activation energy of plastic deformation. In the input window of the current value of the activation energy of plastic deformation, the last measured value of the activation energy of plastic deformation, u m = 70 kJ / mol, entered there by default, was left unchanged. Clicked on the "Start" button. The program automatically calculated the predicted residual resource of the material of the surface layer of the investigated washer, which was δ = 87%. Saved the received data in computer memory. They clicked on the “Main Menu” button and went to the main window of the work program.

Проведенные испытания подтвердили достижение поставленных технических задач в заявленных способе и устройстве.The tests carried out confirmed the achievement of the assigned technical tasks in the claimed method and device.

Экономическая эффективность заявляемого способа и устройства проявляется в двух направлениях: резкое снижение материальных затрат в связи с исключением необходимости применения нескольких разных устройств и приборов; возможность получения качественно новых результатов с затратой времени, в несколько раз меньшего по сравнению с применением известных способов, то есть при резком повышении производительности процесса испытания образцов. Графические материалы заявки содержат:The economic efficiency of the proposed method and device is manifested in two directions: a sharp decrease in material costs due to the elimination of the need to use several different devices and devices; the possibility of obtaining qualitatively new results with an investment of time that is several times smaller compared to the application of known methods, that is, with a sharp increase in the productivity of the process of testing samples. Graphic materials of the application contain:

Фиг.1 - схема контактирования инструмента-индентора с поверхностью образца для оценки микротвердости;Figure 1 - diagram of the contacting tool indenter with the surface of the sample to assess microhardness;

Фиг.2 - схема контактирования инструмента-индентора с поверхностью образца для оценки энергии активации пластической деформации;Figure 2 - scheme of contacting the tool indenter with the surface of the sample to assess the activation energy of plastic deformation;

Фиг.3 - схема контактирования инструмента-индентора с поверхностью образца для оценки триботехнических свойств материала поверхностного слоя образца;Figure 3 - diagram of the contacting of the tool indenter with the surface of the sample to assess the tribological properties of the material of the surface layer of the sample;

Фиг.4 - схема контактирования инструмента с поверхностью образца для оценки шероховатости;4 is a diagram of the contacting of the tool with the surface of the sample to assess the roughness;

Фиг.5 - схема контактирования инструмента с поверхностью образца для оценки волнистости;5 is a diagram of the contacting of the tool with the surface of the sample to assess the waviness;

Фиг.6 - функциональная схема измерительной и исполнительной систем устройства;6 is a functional diagram of the measuring and Executive systems of the device;

Фиг.7 - вид спереди устройства;7 is a front view of the device;

Фиг.8 - разрез А-А устройства;Fig - section aa device;

Фиг.9 - разрез Б-Б устройства;Fig.9 is a section bB of the device;

Фиг.10 - продольный вертикальный разрез механизмов поворота образца в вертикальной плоскости, механизма тангенциального перемещения образца;Figure 10 is a longitudinal vertical section through the mechanisms of rotation of the sample in a vertical plane, the mechanism of tangential movement of the sample;

Фиг.11 - механизмы установки и перемещения инструмента;11 - mechanisms for installing and moving the tool;

Фиг.12 - блок-схема алгоритма реализации операций способа определения прочностных характеристик материала (общий алгоритм);12 is a flowchart of an implementation of operations of a method for determining the strength characteristics of a material (general algorithm);

Фиг.13 - то же, частный алгоритм «А»;Fig - the same, a private algorithm "A";

Фиг.14 - то же, частный алгоритм «Б»;Fig - the same, a private algorithm "B";

Фиг.15 - то же, частный алгоритм «В»;Fig - the same, a private algorithm "B";

Фиг.16 - то же, частный алгоритм «Г»;Fig - the same, a private algorithm "G";

Фиг.17 - то же, частный алгоритм «Д»;Fig - the same, a private algorithm "D";

Фиг.18 - то же, частный алгоритм «Е»;Fig - the same, a private algorithm "E";

Фиг.19 - то же, частный алгоритм «Ж».Fig - the same, a private algorithm "G".

Используемая литератураUsed Books

1. Патент РФ №2166745. Способ оценки энергии активации разрушения материала поверхностного слоя, деформированного трением / Д.Г. Громаковский, Е.В. Беленьких, И.Д. Ибатуллин и др. Опубл. 10.05.2001.1. RF patent №2166745. The method of evaluating the activation energy of the destruction of the material of the surface layer deformed by friction / D.G. Gromakovsky, E.V. Belenkikh, I.D. Ibatullin et al. Publ. 05/10/2001.

2. Патент РФ №2080581. Способ определения прочностных характеристик металлов и их сплавов / А.Е. Кубарев, Л.Х. Аннабердиев. Опубл. 27.05.1997, бюл. №15.2. RF patent No. 2080581. A method for determining the strength characteristics of metals and their alloys / A.E. Kubarev, L.Kh. Annaberdiev. Publ. 05/27/1997, bull. No. 15.

3. Патент РФ №2277232. Способ определения прочностных характеристик материала и устройство для его осуществления / М.Б. Бакиров, С.Ю. Ганигин, Д.Г. Громаковский, В.В. Дикоп, А.В. Дынников, И.Д. Ибатуллин и др. Опубл. 27.05.2006, бюл №15.3. RF patent No. 2277232. A method for determining the strength characteristics of a material and a device for its implementation / M.B. Bakirov, S.Yu. Ganigin, D.G. Gromakovsky, V.V. Dikop, A.V. Dynnikov, I.D. Ibatullin et al. Publ. 05/27/2006, bull. No. 15.

4. Патент РФ №2093814. Устройство для контроля технического состояния обода железнодорожного колеса / Бернар Като, Валерио Дель Фабро, Ги Стевено, Опубл. 20.10.1997, бюл. №29.4. RF patent No. 2093814. Device for monitoring the technical condition of the rim of a railway wheel / Bernard Kato, Valerio Del Fabro, Guy Steveno, Publ. 10/20/1997, bull. No. 29.

5. Патент РФ №2067753. Устройство для определения твердости шпилек паровых турбин / И.А. Пермитин, Г.А. Бологов, А.А. Азнабаев, В.А.Агафонов. Опубл. 10.10.1996, бюл. №28.5. RF patent No. 2067753. A device for determining the hardness of the studs of steam turbines / I.A. Permitin, G.A. Bologov, A.A. Aznabaev, V.A. Agafonov. Publ. 10/10/1996, bull. No. 28.

6. Матюнин В.М. Методы и средства безобразцовой экспресс-оценки механических свойств конструкционных материалов. Учебное пособие по курсу «Диагностика структурно-механического состояния металла»/ Под ред. В.Г.Борисова. - М.: Изд-во МЭИ. 2001. - 94 с. С.77-78, рис.7.12.6. Matyunin V.M. Methods and means of an exemplary rapid assessment of the mechanical properties of structural materials. Textbook for the course "Diagnostics of the structural-mechanical state of metal" / Ed. V.G. Borisov. - M.: Publishing House MPEI. 2001 .-- 94 p. S.77-78, Fig. 7.12.

Claims (8)

1. Способ определения прочностных характеристик материала, при котором испытание проводят на поверхности образцов, отличающийся тем, что используют программу выбора вида исследования и его проведения из возможных нескольких автоматически реализуемых на одном и том же устройстве, как профилографирование - профилометрирование шероховатости образца; оценку микротвердости поверхности образца; оценку энергии активации пластической деформации; трибометрирование; прогнозирование остаточного ресурса (по текущему значению либо кинетике изменения энергии активации пластической деформации); профилографирование - профилометрирование волнистости поверхности образца; включают блок обработки информации персонального компьютера, загружают рабочую программу выбора вида исследования и его проведения; поворачивают ручку фиксации инструмента в положение «измерение», отводя кулачком подвеску; обезжиренный и высушенный образец размещают на столике исследуемой поверхностью перпендикулярно оси движения инструмента; устанавливают соответствующий инструмент в державке; вводят требуемые исходные данные и режимы исследования в рабочую программу выбора вида исследования и его проведения; нажимают кнопку «старт» окна рабочей программы выбора вида исследования и его проведения; опускают траверсу с инструментальной головкой до соприкосновения инструмента с исследуемой поверхностью образца, определяя его момент касания по показаниям датчика вертикальных перемещений инструмента; двигателем горизонтального перемещения каретки перемещают каретку на расстояние выхода вершины инструмента из деформированной области исследуемой поверхности до нулевых показаний датчика вертикальных перемещений инструмента; реализуют алгоритм дальнейших действий согласно результату выбора видов исследований.1. The method of determining the strength characteristics of the material, in which the test is carried out on the surface of the samples, characterized in that they use a program to select the type of study and conduct it from several possible automatically implemented on the same device, as profiling - profiling of the roughness of the sample; microhardness assessment of a sample surface; assessment of the activation energy of plastic deformation; tribometry; prediction of residual life (at the current value or kinetics of changes in the activation energy of plastic deformation); profiling - profilometry waviness of the surface of the sample; include a personal computer information processing unit, download a work program for selecting a type of study and its conduct; turn the knob of fixing the tool to the "measurement" position, moving the suspension away with the cam; fat-free and dried sample is placed on the table with the studied surface perpendicular to the axis of movement of the tool; install the appropriate tool in the holder; enter the required initial data and study modes into the work program for selecting the type of study and its conduct; press the "start" button of the window of the work program for selecting the type of study and its conduct; lower the traverse with the tool head until the tool touches the test surface of the sample, determining its moment of contact according to the readings of the sensor of vertical movements of the tool; the engine for horizontal movement of the carriage moves the carriage to the distance of the exit of the top of the tool from the deformed region of the investigated surface to zero readings of the sensor of vertical movements of the tool; implement the algorithm for further actions according to the result of the choice of research types. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после выбора вида исследований - оценка микротвердости поверхности образца вводят требуемое число измерений, величину нормальной нагрузки; устанавливают инструмент - стандартный алмазный индентор Виккерса (четырехгранную пирамиду с углом при вершине 136°); включают двигатель нагружения; давят на свободный конец плоской пружины датчика нагружения подвески; одновременно строят график зависимости «нормальная нагрузка FN[H] - величина внедрения инструмента-индентора h [мкм] в исследуемую поверхность» (h=f(FN)); одновременно вычисляют значение микротвердости по формуле H μ = 1854 ,4 m D 2
Figure 00000014
, [кгс/мм2], где D=h/0,14 [мкм] - размер диагонали отпечатка, m=FN·10-3·g-1≈FN·10-2, [г] - эквивалентная масса навески; строят график зависимости Hµ=f(h); сохраняют результаты вычислений в памяти блока обработки информации.
2. The method according to claim 1, characterized in that after selecting the type of research - the assessment of the microhardness of the surface of the sample enter the required number of measurements, the value of the normal load; install the tool - a standard Vickers diamond indenter (a tetrahedral pyramid with an angle at the apex of 136 °); include a loading engine; press on the free end of the flat spring of the suspension load sensor; at the same time, they plot the dependence “normal load F N [H] - the value of the penetration of the tool-indenter h [μm] into the test surface” (h = f (F N )); simultaneously calculate the microhardness value by the formula H μ = 1854 ,four m D 2
Figure 00000014
, [kgf / mm 2 ], where D = h / 0.14 [μm] is the diagonal size of the print, m = F N · 10 -3 · g -1 ≈F N · 10 -2 , [g] is the equivalent mass hinges; plotting the dependence Hµ = f (h); save the results of the calculations in the memory of the information processing unit.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что после выбора вида исследований - профилографирование - профилометрирование шероховатости поверхности образца при выборе требуемого режима исследования задают базовую длину трассы сканирования поверхности; устанавливают инструмент - алмазную иглу с углом при вершине 60° в державку; автоматически включают двигатель горизонтального перемещения каретки; перемещают инструмент - алмазную иглу по исследуемой поверхности в режиме сканирования (без приложения нормальной нагрузки) на величину базовой длины; одновременно на экране компьютера строят график зависимости «вертикальное перемещение инструмента - алмазной иглы - горизонтальное перемещение исследуемого образца» в режиме реального времени; при задании нескольких чисел заданных измерений действие повторяют заданное число раз; выводят на экран среднюю линию профиля, линии впадин и выступов, кривую опорной поверхности; рассчитывают и выводят на экран монитора параметры R2 - высоту шероховатости, Ra - среднеарифметическое отклонение, tm - шаг; найденные значения критериев профиля шероховатости исследуемой поверхности образца сохраняют в памяти блока обработки информации; возвращают каретку в исходное положение; поворачивают ручку фиксации инструмента - алмазной иглы в положение «хранение», приподнимая при этом подвеску; сохраняют результаты вычислений в памяти блока обработки информации.3. The method according to claim 1, characterized in that after selecting the type of research - profiling - profiling of the surface roughness of the sample when choosing the desired research mode, set the base length of the surface scan path; set the tool - a diamond needle with an angle at the apex of 60 ° in the holder; automatically turn on the engine of horizontal movement of the carriage; move the tool - a diamond needle along the surface under investigation in the scanning mode (without applying a normal load) by the value of the base length; at the same time, a graph of the dependence “vertical movement of the tool — diamond needle — horizontal movement of the test sample” in real time is plotted; when setting several numbers of specified measurements, the action is repeated a specified number of times; display the middle line of the profile, the lines of the depressions and protrusions, the curve of the supporting surface; parameters R2 are calculated and displayed on the screen of the monitor — roughness height, Ra — arithmetic mean deviation, tm — step; the found values of the roughness profile criteria of the studied surface of the sample are stored in the memory of the information processing unit; return the carriage to its original position; turn the knob for fixing the tool - the diamond needle to the "storage" position, while raising the suspension; save the results of the calculations in the memory of the information processing unit. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что после выбора вида исследований - оценка энергии активации пластической деформации выбирают требуемый критерий измерений - по заданной величине нормальной нагрузки или внедрения инструмента-индентора; вводят в рабочую программу в зависимости от выбора требуемого критерия измерений значение нормальной нагрузки или глубины внедрения инструмента-индентора при царапании, значение молярного объема материала исследуемого образца, числа измерений, требуемой длины царапины; устанавливают инструмент - четырехгранную пирамиду с углом при вершине 136° в державку; включают двигатель нормального нагружения; нагружают подвеску по нормали до заданной величины нормальной нагрузки или до заданной величины внедрения инструмента-индентора в поверхность исследуемого образца - в зависимости от выбора требуемого критерия измерений; включают двигатель горизонтального перемещения каретки; царапают инструментом-индентором поверхность исследуемого образца на заданную величину; одновременно измеряют силу царапания; вычисляют величину энергии активации пластической деформации; возвращают каретку в исходное положение; сохраняют текущее значение энергии активации пластической деформации в памяти блока обработки информации.4. The method according to claim 1, characterized in that after selecting the type of research - evaluation of the activation energy of plastic deformation, select the required measurement criterion - for a given value of the normal load or the introduction of an indenter tool; depending on the choice of the required measurement criterion, the value of the normal load or the penetration depth of the indenter tool when scratching is entered, the value of the molar volume of the material of the test sample, the number of measurements, the required length of the scratch; set the tool - a tetrahedral pyramid with an angle at the apex of 136 ° into the holder; turn on the engine of normal loading; load the suspension normal to a predetermined value of the normal load or to a predetermined amount of penetration of the indenter tool into the surface of the test sample, depending on the choice of the required measurement criterion; turn on the engine for horizontal movement of the carriage; scratch the surface of the test sample by the indenter tool by a predetermined amount; simultaneously measure the force of scratching; calculate the activation energy of plastic deformation; return the carriage to its original position; save the current value of the activation energy of plastic deformation in the memory of the information processing unit. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что после выбора вида исследований - прогнозирование остаточного ресурса задают начальное значение энергии активации пластической деформации поверхностного слоя и величину энергии активации разрушения материала поверхностного слоя; выбирают вид прогнозирования (по текущему значению энергии активации пластической деформации или по кинетике изменения энергии активации пластической деформации); при прогнозировании по текущему значению энергии активации пластической деформации определяют ожидаемое время наступления разрушения tpec и остаточный ресурс материала δ по формулам:
t pec = 100 100 δ t эксп ,
Figure 00000015

δ = 100 (1 U 0 U 0 исх U 0 кр U 0 исх ) ,
Figure 00000016

где tэксп - длительность наработки материала в единицах времени; U0, U 0 исх
Figure 00000017
, U 0 кр
Figure 00000018
- текущее, исходное, критическое (предельно допустимое) значение энергии активации пластической деформации материала соответственно; при прогнозировании по кинетике изменения энергии активации пластической деформации строят таблицу исходных данных, содержащих ранее найденные значения энергии активации пластической деформации исследуемого материала и соответствующие им значения наработки; выбирают вид аппроксимации (линейный или нелинейный); с помощью рабочей программы автоматически строят на экране компьютера зависимость в координатах «наработка - энергия активации пластической деформации», аппроксимированную методом наименьших квадратов, и горизонтальные прямые, соответствующие начальному и критическому уровню энергии активации пластической деформации материала; определяют автоматически точку пересечения аппроксимированной зависимости с критическим значением энергии активации; значение оси в точке пересечения принимают за прогнозируемое значение наработки материала, соответствующее его разрушению, сохраняют прогнозируемое значение наработки материала в памяти блока обработки информации.
5. The method according to claim 1, characterized in that after selecting the type of research - forecasting the residual life, the initial value of the activation energy of plastic deformation of the surface layer and the value of the activation energy of the destruction of the material of the surface layer are set; choose the type of prediction (according to the current value of the activation energy of plastic deformation or the kinetics of changes in the activation energy of plastic deformation); when predicting the current value of the activation energy of plastic deformation, determine the expected time of fracture t pec and the residual life of the material δ by the formulas:
t pec = one hundred one hundred - δ t exp ,
Figure 00000015

δ = one hundred (one - U 0 - U 0 out U 0 cr - U 0 out ) ,
Figure 00000016

where t exp - the duration of the time the material in units of time; U 0 U 0 out
Figure 00000017
, U 0 cr
Figure 00000018
- current, initial, critical (maximum permissible) value of the activation energy of plastic deformation of the material, respectively; when predicting the kinetics of changes in the activation energy of plastic deformation, a table of initial data is constructed containing the previously found values of the activation energy of plastic deformation of the material under study and the corresponding operating time values; choose the type of approximation (linear or non-linear); using a work program, a dependency is automatically built on the computer screen in the coordinates "running hours - activation energy of plastic deformation" approximated by the least squares method and horizontal lines corresponding to the initial and critical levels of activation energy of plastic deformation of the material; automatically determine the intersection point of the approximated dependence with a critical value of activation energy; the axis value at the intersection point is taken as the predicted value of the material production time corresponding to its destruction, the predicted value of the material production time is stored in the memory of the information processing unit.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что после выбора вида исследований - трибометрирование задают величину нормальной нагрузки, скорость, амплитуду и время перемещения каретки; устанавливают инструмент - сферический индентор в державку; наносят слой смазочного материала на поверхность исследуемого образца; включают автоматически двигатель нагружения; давят на инструмент - сферический индентор нормальной силой до заданной величины с фиксированием датчиком нагружения подвески нормальной силой; включают двигатель продольного перемещения в режиме возвратно-поступательного движения с заданной скоростью, амплитудой и временем испытаний; измеряют силу трения по показаниям датчика тангенциальной силы, нормальную силу, действующую на инструмент - индентор, величину перемещения инструмента-индентора относительно поверхности исследуемого образца, величину линейного износа по разности показаний датчика вертикальных перемещений инструмента-индентора; возвращают инструмент -индентор и каретку в исходное положение; сохраняют результат вычислений в памяти блока обработки информации.6. The method according to claim 1, characterized in that after selecting the type of research - tribometrics specify the magnitude of the normal load, speed, amplitude and time of movement of the carriage; set the tool - a spherical indenter in the holder; applying a layer of lubricant to the surface of the test sample; automatically turn on the loading engine; press on the tool - a spherical indenter with a normal force to a predetermined value with fixing by the load sensor of the suspension with a normal force; turn on the longitudinal motion engine in the reciprocating motion mode with a given speed, amplitude and test time; measure the friction force according to the readings of the tangential force sensor, the normal force acting on the tool-indenter, the displacement of the tool-indenter relative to the surface of the test sample, the linear wear on the difference of the readings of the sensor of vertical displacements of the tool-indenter; return the tool-indenter and the carriage to its original position; save the result of the calculations in the memory of the information processing unit. 7. Способ по п.1, отличающийся тем, что после выбора вида исследований - профилографирование - профилометрирование волнистости поверхности образца при выборе требуемого режима исследования задают длину трассы сканирования поверхности образца; устанавливают инструмент - алмазную иглу с углом при вершине 60° в державку; автоматически включают двигатель горизонтального перемещения столика вместе с образцом на величину длины трассы сканирования (без приложения нормальной нагрузки); одновременно с перемещением образца строят график на экране компьютера зависимости «вертикальное перемещение инструмента - горизонтальное перемещение исследуемого образца» в режиме реального времени; при задании нескольких чисел заданных измерений действие повторяют заданное число раз; выводят на экран среднюю линию профиля, линии впадин и выступов; рассчитывают параметры Wz - высоту волнистости Sw - шаг волнистости; найденные значения критериев профиля волнистости исследуемой поверхности образца сохраняют в памяти блока обработки информации; возвращают каретку и инструмент - алмазную иглу в исходное положение; поворачивают ручку фиксации инструмента - алмазной иглы в положение «хранение», приподнимая при этом подвеску; сохраняют результаты вычислений в памяти блока обработки информации.7. The method according to claim 1, characterized in that after selecting the type of research - profiling - profilometry of the undulation of the surface of the sample when choosing the desired research mode, set the length of the scan path of the surface of the sample; set the tool - a diamond needle with an angle at the apex of 60 ° in the holder; automatically turn on the engine for horizontal movement of the table along with the sample by the length of the scan path (without applying a normal load); simultaneously with the movement of the sample, a graph is plotted on the computer screen of the dependence "vertical movement of the tool - horizontal movement of the test sample" in real time; when setting several numbers of specified measurements, the action is repeated a specified number of times; display the middle line of the profile, the line of depressions and protrusions; calculate the parameters W z - height of undulation S w - step of undulation; the found values of the criteria for the undulation profile of the investigated surface of the sample are stored in the memory of the information processing unit; return the carriage and the tool - the diamond needle to its original position; turn the knob for fixing the tool - the diamond needle to the "storage" position, while raising the suspension; save the results of the calculations in the memory of the information processing unit. 8. Устройство для определения прочностных характеристик материала по п.1, содержащее корпус коробчатой пустотелой формы с электродвигателем и редуктором внутри его; укрепленные на корпусе две параллельные колонны с установленной на них с возможностью перемещения по ним траверсой вместе с механизмами фиксации ее на колоннах и закрепленной на ней инструментом; инструментальной головкой, механизмом установки инструмента, механизмом подвода и отвода инструмента от поверхности образца, измерителем нормальных перемещений инструмента, датчиком нормальной силы, механизм и стол для установки и термостабилизации образца; механизм нормального нагружения инструмента; автоматизированную систему задания программы нагружения и разгружения, считывания, записи и обработки информации результатов испытаний совместно с персональным компьютером, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено механизмом тангенциального перемещения образца; механизмом поворота образца в вертикальной плоскости; механизмом тонкого перемещения образца в вертикальной плоскости; механизмом ускоренного перемещения и фиксации инструмента; датчиком измерения тангенциальной силы; механизмом вертикального перемещения траверсы; при этом механизм и стол для установки и термостабилизации образца выполнен в виде столика и плиты, установленной на корпусе устройства, соединенных между собой механизмом тангенциального перемещения образца, выполненного, в свою очередь, в виде нижнего корпуса, соединенного с плитой с возможностью перемещения по ее продольным направляющим посредством шагового электродвигателя, расположенного в нижнем корпусе, и реечной передачи, реечная шестерня которой закреплена на роторе шагового электродвигателя, а рейка - на плите, и механизмом поворота образца в вертикальной плоскости, скрепленного столиком, выполненным в виде верхнего клина и нижнего клина, установленного на верхнем корпусе с возможностью перемещения по его направляющим посредством вращения рукоятки ходового винта, закрепленного в подшипнике верхнего корпуса и связанного с резьбовым отверстием нижнего клина; причем верхний клин соединен посредством плоской и витой пружин с нижним корпусом с возможностью поворота относительно его посредством механизма поворота образца в вертикальной плоскости, состоящего из маховика - рукоятки винта, имеющего возможность вращения в гайке, закрепленной на нижнем корпусе, и упираться сферическим концом в пяту, закрепленную в верхнем корпусе; а механизм вертикального перемещения траверсы выполнен в виде шагового электродвигателя, редуктора, включающего ременную передачу, промежуточный вал с двумя червяками на его концах и два червячных зубчатых колеса на двух ходовых винтах, пропущенных внутри соответствующих двух колонн и внутрь корпуса, двух ходовых гаек, закрепленных на двух жестко скрепленных с траверсой ползушках, установленных на соответствующих колоннах по подвижной посадке с возможностью фиксации на них посредством механизмов фиксации траверсы; механизм ускоренного перемещения и фиксации инструмента выполнен в виде дискового кулачка и рукоятки его поворота; механизм нормального нагружения инструмента и механизм тангенциального перемещения инструмента выполнены в виде каретки, подвешенной на попарных плоскопараллельных пружинах с возможностью перемещения, в двух взаимно перпендикулярных направлениях, посредством соответствующих двух перпендикулярно установленных линейных шаговых электродвигателей. 8. A device for determining the strength characteristics of a material according to claim 1, comprising a box-shaped hollow body with an electric motor and a gearbox inside it; two parallel columns mounted on the casing with installed on them with the possibility of moving a traverse along them together with mechanisms for fixing it on the columns and a tool fixed on it; a tool head, a tool mounting mechanism, a mechanism for bringing the tool in and out of the sample surface, a measuring instrument for normal tool movements, a normal force sensor, a mechanism and a table for installing and thermally stabilizing the sample; mechanism of normal tool loading; an automated system for setting a program for loading and unloading, reading, writing and processing information from test results together with a personal computer, characterized in that it is additionally equipped with a mechanism for tangential movement of the sample; the mechanism of rotation of the sample in a vertical plane; the mechanism of thin movement of the sample in a vertical plane; a mechanism for accelerated movement and fixation of the tool; tangential force sensor; the mechanism of vertical movement of the traverse; while the mechanism and the table for installing and thermal stabilization of the sample is made in the form of a table and a plate mounted on the device’s body, interconnected by a tangential movement mechanism of the sample, made, in turn, in the form of a lower case connected to the plate with the possibility of moving along its longitudinal guide by means of a stepper motor located in the lower case and a rack and pinion gear, the rack gear of which is fixed to the rotor of the stepper motor, and the rack is mounted on a plate, and the mechanism the sample is rotated in a vertical plane, fastened by a table made in the form of an upper wedge and a lower wedge mounted on the upper case with the possibility of moving along its guides by rotation of the spindle handle fixed in the bearing of the upper case and connected with the threaded hole of the lower wedge; moreover, the upper wedge is connected by means of a flat and twisted springs to the lower body with the possibility of rotation relative to it by means of a sample rotation mechanism in a vertical plane, consisting of a flywheel - a screw handle that can rotate in a nut fixed to the lower body and rest against the heel with a spherical end, fixed in the upper case; and the mechanism of vertical movement of the traverse is made in the form of a stepper motor, a reducer, including a belt drive, an intermediate shaft with two worms at its ends and two worm gears on two lead screws, passed inside the corresponding two columns and inside the case, two lead nuts mounted on two cradles rigidly fixed to the traverse, mounted on the respective columns in a movable landing with the possibility of fixing on them by means of the traverse fixing mechanisms; the mechanism of accelerated movement and fixation of the tool is made in the form of a disk cam and a handle for its rotation; the mechanism of normal tool loading and the mechanism of tangential movement of the tool are made in the form of a carriage suspended on pairwise plane-parallel springs with the possibility of movement, in two mutually perpendicular directions, by means of the respective two perpendicularly mounted linear step motors.
RU2011113065/28A 2011-04-05 2011-04-05 Method to determine strength characteristics of material and device for its realisation RU2499246C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011113065/28A RU2499246C2 (en) 2011-04-05 2011-04-05 Method to determine strength characteristics of material and device for its realisation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011113065/28A RU2499246C2 (en) 2011-04-05 2011-04-05 Method to determine strength characteristics of material and device for its realisation

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2011113065A RU2011113065A (en) 2012-10-10
RU2499246C2 true RU2499246C2 (en) 2013-11-20

Family

ID=47079243

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011113065/28A RU2499246C2 (en) 2011-04-05 2011-04-05 Method to determine strength characteristics of material and device for its realisation

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2499246C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2564055C2 (en) * 2013-12-27 2015-09-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет" (ФГБОУ ВПО "КнАГТУ") Material control complex

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109752244A (en) * 2019-03-21 2019-05-14 扬州大学 Nano-composite gel class material hardness stretches automatic tester and its application method

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6301956B1 (en) * 1998-12-14 2001-10-16 Edison Hard Co., Ltd. Hardness tester
RU2277232C1 (en) * 2005-01-18 2006-05-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный технический университет Method and device for measuring strength properties of material
RU2327137C2 (en) * 2005-08-26 2008-06-20 Открытое акционерное общество "Волгабурмаш" (ОАО "Волгабурмаш") Method of surface layer material destruction activation energy estimation
RU2373515C1 (en) * 2008-06-16 2009-11-20 ГОУ ВПО "Вологодский государственный технический университет" (ВоГТУ) Facility for evaluating hardness of material by method of scratching

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6301956B1 (en) * 1998-12-14 2001-10-16 Edison Hard Co., Ltd. Hardness tester
RU2277232C1 (en) * 2005-01-18 2006-05-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный технический университет Method and device for measuring strength properties of material
RU2327137C2 (en) * 2005-08-26 2008-06-20 Открытое акционерное общество "Волгабурмаш" (ОАО "Волгабурмаш") Method of surface layer material destruction activation energy estimation
RU2373515C1 (en) * 2008-06-16 2009-11-20 ГОУ ВПО "Вологодский государственный технический университет" (ВоГТУ) Facility for evaluating hardness of material by method of scratching

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2564055C2 (en) * 2013-12-27 2015-09-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет" (ФГБОУ ВПО "КнАГТУ") Material control complex

Also Published As

Publication number Publication date
RU2011113065A (en) 2012-10-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4852397A (en) Field indentation microprobe for structural integrity evaluation
KR101117661B1 (en) Apparatus for Indentation Test Involving Micom and Evaluating Method of Residual Stress using The Same
CA1325895C (en) Determining plane strain fracture toughness and the j-integral for solid materials using stress field modified miniature specimens
US9897523B2 (en) Contact mechanic tests using stylus alignment to probe material properties
EP3076153B1 (en) Method for calculating an indenter area function and quantifying a deviation from the ideal shape of an indenter
Wang et al. Early fatigue damage detecting sensors—A review and prospects
EP2952866A1 (en) Method for evaluating residual stress by using instrumented indentation test technique, storage medium storing computer program including same, and indentation test apparatus for performing instrumented indentation test by operating storage medium
KR20030079471A (en) Apparatus for determining residual stress, method for determining residual stress data using it, residual stress determining method using it and recording medium thereof
CN111458243B (en) Experimental method for measuring mechanical properties of metal by using indentation instrument
RU2499246C2 (en) Method to determine strength characteristics of material and device for its realisation
Lord et al. 25 year perspective Aspects of strain and strength measurement in miniaturised testing for engineering metals and ceramics
Burlakova et al. Mechanical properties and size effects of self-organized film
KR100965226B1 (en) Evaluating method of the residual stress determining method using the continuous indentation method
Huang et al. Mechanical characterization of thin film materials with nanoindentation measurements and FE analysis
Pawlus et al. Profilometric measurements of wear scars: A review
Muzyka et al. Procedure and instruments for the material damage assessment by the LM-hardness method on the in-service scratching of structure element surfaces
Dutta et al. Table top experimental setup for electrical contact resistance measurement during indentation
Charitidis et al. A study on time dependent properties of aluminum alloy by nanoindentation technique
CA2916042C (en) Contact mechanic tests using stylus alignment to probe material properties
RU2327137C2 (en) Method of surface layer material destruction activation energy estimation
Prakash et al. Investigation of material fatigue behavior through cyclic ball indentation testing
Davies High temperature nanoindentation characterisation of P91 and P92 steel
CN219201233U (en) Device for collecting mechanical parameters of equipment materials
Salemi Najafabadi Analysis Of The Cyclic Behavior And Fatigue Damage Of Low Alloy Steels
Henry et al. Tapered test specimen for rapid damage precursor identification

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20140406