RU2516022C2 - Способ сбора и обработки информации о поверхности образца - Google Patents
Способ сбора и обработки информации о поверхности образца Download PDFInfo
- Publication number
- RU2516022C2 RU2516022C2 RU2012108774/28A RU2012108774A RU2516022C2 RU 2516022 C2 RU2516022 C2 RU 2516022C2 RU 2012108774/28 A RU2012108774/28 A RU 2012108774/28A RU 2012108774 A RU2012108774 A RU 2012108774A RU 2516022 C2 RU2516022 C2 RU 2516022C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- probe
- scanning
- sample
- parameters
- properties
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
- A Measuring Device Byusing Mechanical Method (AREA)
Abstract
Изобретение относится к измерительной технике, в частности к средствам контроля рельефа и поверхностных свойств образцов с помощью склерометров, и может быть использовано для оценки изменения свойств поверхности вдоль пути сканирования. Для этого осуществляют сканирование контролируемой поверхности более одного раза с разной степенью сближения зонда с контролируемой поверхностью с одновременным получением данных о пространственных и силовых параметрах сканирования и определяют по ним параметры образца, характеризующие рельеф и/или свойства поверхности образца, степень воздействия зонда на поверхность или поверхностные слои образца, а также величину остаточной деформации определяют по разности полученных значений пространственных и силовых параметров. При этом первое сканирование производят с нагрузкой на зонд, не вызывающей пластическую деформацию поверхности и оценивают вертикальные перемещения зонда в процессе сканирования, на основе которых строят профилограмму контролируемой поверхности и определяют параметры ее шероховатости, затем возвращают зонд в исходное положение, внедряют зонд в поверхностный слой на необходимую глубину, отражающую объемные свойства поверхностного слоя, за счет приложения постоянной нормальной нагрузки и производят второе сканирование и оценивают вертикальные перемещения зонда, на основании которых строят кривую опорной поверхности и оценивают ее характеристики, а также определяют распределение твердости поверхностного слоя вдоль пути сканирования. Технический результат - расширение функциональных возможностей оценки характеристик поверхностных слоев и получения более корректных данных, отражающих объемные свойства поверхностных слоев. 2 ил.
Description
Изобретение относится к измерительной технике, в частности к средствам контроля рельефа и поверхностных свойств образцов с помощью склерометров, и может быть использовано для оценки изменения свойств поверхности вдоль пути сканирования.
Известен способ получения и обработки информации о поверхности образца с помощью щуповых профилографов [1], в котором производят контактное сканирование поверхности алмазной иглой, далее на основе измерения вертикальных перемещений иглы в процессе сканирования строят профилограмму, оценивают параметры шероховатой поверхности, строят кривую опорной поверхности и на основе ее анализа оценивают характеристики контакта (фактическая площадь контакта, контактная деформация) и сближения сопряженных поверхностей.
Недостаток данного способа заключается в функциональной ограниченности (оценивается только геометрия профиля) и получении некорректных данных для последующей оценки характеристик контакта сопряженных поверхностей, находящихся под нагрузкой (величины сближения, площади фактического контакта) поскольку материалы имеют неоднородности (твердые и мягкие включения и фазы), особенно в случае исследования композиционных и многофазных материалов.
Также известен способ [2], в котором определяют твердость поверхностного слоя путем сканирования поверхности нагруженным индентором. Для этого образец помещают на столик прибора (например, микротвердомера ПМТ-3), опускают на исследуемую поверхность индентор, к которому приложена постоянная нормальная нагрузка, производят перемещение столика с образцом относительно индентора так, чтобы перемещение столика было направлено вдоль оси упругих пластин механизма нагружения, определяют ширину полученной царапины и оценивают величину твердости.
Недостаток данного способа заключается в функциональной ограниченности - оценивается только твердость поверхностного слоя.
В качестве прототипа выбран способ [3], в котором производят последовательное снятие в заданных точках поверхности по меньшей мере участка силовой кривой и определение по нему параметров образца с последующим построением соответствующих пространственных распределений. На силовой кривой производят выбор опорных точек и фиксируют по меньшей мере в этих точках значения силы отклонения кантилевера, и/или координаты его закрепленного конца, и/или производных от силы отклонения кантилевера по координате его закрепленного конца. По числу опорных точек и/или указанным зафиксированным значениям определяют параметры образца, характеризующие рельеф, и/или свойства поверхности образца, и/или число и свойства его поверхностных слоев. В том числе определяют координаты поверхности образца, и/или границ поверхностных слоев, или толщины поверхностных слоев, или силу адгезии поверхности образца и/или поверхностных слоев, или коэффициент упругости поверхности образца и/или поверхностных слоев.
Недостатком прототипа является функциональная ограниченность, заключающаяся в исследовании тонкого поверхностного слоя, соизмеримого с размерами атомов, что может некорректно отразить свойства поверхностных слоев, в общем случае состоящих из большого количества разнородных структурных элементов.
Технический результат настоящего изобретения заключается в расширении функциональных возможностей оценки характеристик поверхностных слоев и получении более корректных данных, отражающих объемные свойства поверхностных слоев.
Технический результат достигается тем, что осуществляют сканирование контролируемой поверхности более одного раза с разной степенью сближения зонда с контролируемой поверхностью с одновременным получением данных о пространственных и силовых параметрах сканирования и определяют по ним параметры образца, характеризующие рельеф и/или свойства поверхности образца, степень воздействия зонда на поверхность или поверхностные слои образца, а также величину остаточной деформации определяют по разности полученных значений пространственных и силовых параметров, при этом первое сканирование производят с нагрузкой на зонд, не вызывающей пластическую деформацию поверхности и оценивают вертикальные перемещения зонда в процессе сканирования, на основе которых строят профилограмму контролируемой поверхности и определяют параметры ее шероховатости, затем возвращают зонд в исходное положение, внедряют зонд в поверхностный слой на необходимую глубину, отражающую объемные свойства поверхностного слоя, за счет приложения постоянной нормальной нагрузки и производят второе сканирование и оценивают вертикальные перемещения зонда, на основании которых строят кривую опорной поверхности и оценивают ее характеристики, а также определяют распределение твердости поверхностного слоя вдоль пути сканирования.
Сущность заявляемого способа заключается в следующем.
Кривую опорной поверхности строят на основе профилограммы, полученной при сканировании контролируемой поверхности нагруженным зондом. Это позволяет учесть тот факт, что контролируемая поверхность в общем случае неоднородна и ее различные участки имеют различную жесткость и твердость (границы зерен, различные фазы, включения, оксидные пленки, прижоги и т.п.). При этом более твердые участки контролируемой поверхности будут на данной профилограмме выглядеть как выступы, а менее твердые - как впадины, наложенные на исходный профиль контролируемой поверхности. При высокой степени однородности поверхностного слоя профилограммы, полученные нагруженным и разгруженным зондом, практически будут близки. Для неоднородных материалов заявляемый способ позволит получить кривую опорной поверхности, которая позволит более корректно оценить ее характеристики, используемые при расчетах контактного сближения, а также площади фактического касания.
Твердость поверхности оценивают методом царапания, в котором повышение корректности измерений достигается автоматизированной оценкой глубины внедрения зонда, оцениваемой как разность показаний вертикальных перемещений зонда при последовательных сканированиях без нагрузки и под нагрузкой, вместо измерения ширины царапины, осуществляемой визуально с помощью оптических приборов. При этом корректные данные о глубине внедрения зонда можно получить даже тогда, когда ширину царапины невозможно измерить из-за неопределенности контура ее границы. С учетом того что ширина b и глубина h царапины при использовании в качестве зонда, например алмазного наконечника Виккерса, связаны соотношением h≈0,14b, формула для оценки твердости
где Р - нормальная нагрузка, преобразуется к виду
Заявляемый способ позволяет путем двукратного сканирования выбранного участка контролируемой поверхности получить корректные данные о шероховатости поверхности, кривой опорной поверхности и распределения твердости вдоль пути сканирования.
Заявленный способ реализуется по следующим этапам.
- Помещают испытуемый образец на столик измерительного прибора. Опускают на контролируемую поверхность зонд и производят первое сканирование с нагрузкой на зонд, не вызывающей пластическую деформацию поверхности, и оценивают вертикальные перемещения зонда в процессе сканирования.
- На основе полученных данных о вертикальных перемещениях зонда строят профилограмму контролируемой поверхности и определяют параметры ее шероховатости, например Ra, Rz, Rmax, Rp, затем возвращают зонд в исходное положение.
- Внедряют зонд в поверхностный слой на необходимую глубину, отражающую объемные свойства поверхностного слоя, за счет приложения постоянной нормальной нагрузки, и производят второе сканирование, и оценивают вертикальные перемещения зонда.
- На основе полученных данных о вертикальных перемещениях зонда строят профилограмму поверхности, полученной нагруженным зондом, на основе которой строят кривую опорной поверхности и оценивают ее характеристики, например ν, Rpk, Rνk и др.
- Определяют распределение твердости поверхностного слоя вдоль пути сканирования по формуле (2), принимая в качестве глубины внедрения зонда h величину разности данных о вертикальных перемещениях зонда в нагруженном и ненагруженном состоянии в соответствующей точке сканирования.
Пример. Для реализации предложенного способа использовали диагностический программно-аппаратурный комплекс, описанный в работе [4]. В качестве зонда использовали наконечник Виккерса - алмазную пирамиду с квадратным основанием и межгранным углом при вершине 136°. В качестве образца использовали кузовную стальную шайбу. Опустили зонд на поверхность образца под нормальной нагрузкой 0,002 Н, не вызывающей пластической деформации поверхности, и получили профилограмму P1 поверхности образца (фиг.1) при базовой длине l=0,8 мм. Определили параметры шероховатости поверхности: Rmax=5 мкм; Rp=1,2 мкм; Rz=1,36 мкм; Ra=0, 41 мкм. Вернули зонд в исходное положение, нагрузили его статической нагрузкой 0,11 Н, повторно просканировали поверхность и получили профилограмму Р2 (фиг.1), на основе которой построили кривую опорной поверхности. На основе анализа кривой опорной поверхности получили значение относительной опорной длины по средней линии tm=0,5. Построили распределение глубины внедрения зонда h вдоль пути сканирования в виде расчетной кривой Р3 (фиг.1) как разницу высотных характеристик профилограмм P1 и Р2 вдоль пути сканирования. Построили распределение твердости поверхности (фиг.2) вдоль пути сканирования путем расчета твердости по формуле (2) с подстановкой полученного распределения значений h вдоль пути сканирования.
На фиг.1. показаны результаты построения и обработки профилограмм: полученных разгруженным зондом - P1; полученных зондом, нагруженным нормальной нагрузкой 0,11 Н - Р2; Р3 - разность значений профилограмм P1 и Р2, характеризующая глубину внедрения зонда относительно профиля P1.
На фиг.2. представлено распределение твердости поверхности образца по базовой длине.
Используемая литература
1. Основы трибологии (трение, износ, смазка): Учебник для технических вузов / А.В.Чичинадзе, Э.Д.Браун, И.А.Буше, И.А.Буяновский и др. - М.: Центр "Наука и техника", 1995. - 778 с.
2. ГОСТ 21318-75. Измерение микротвердости царапанием алмазным наконечником. - М.: Изд-во стандартов, 1976. - 29 с.
3. Патент РФ №2145055. Способ сбора и обработки информации о поверхности образца / Молчанов С.П., Дремов В.В., Кирпичников А.П. Опубл. 27.01.2000 г.
4. Ненашев М.В., Ибатуллин И.Д., Деморецкий Д.А. и др. Новые приборы контроля качества поверхностей // Известия Самарского научного центра РАН. - Самара: СНЦ РАН. Т.13. №1 (3) (39). - 2011. - С.578-581.
Claims (1)
- Способ сбора и обработки информации о поверхности образца, в котором осуществляют сканирование контролируемой поверхности более одного раза с разной степенью сближения зонда с контролируемой поверхностью с одновременным получением данных о пространственных и силовых параметрах сканирования и определяют по ним параметры образца, характеризующие рельеф и/или свойства поверхности образца, степень воздействия зонда на поверхность или поверхностные слои образца, а также величину остаточной деформации определяют по разности полученных значений пространственных и силовых параметров, отличающийся тем, что первое сканирование производят с нагрузкой на зонд, не вызывающей пластическую деформацию поверхности, и оценивают вертикальные перемещения зонда в процессе сканирования, на основе которых строят профилограмму контролируемой поверхности и определяют параметры ее шероховатости, затем возвращают зонд в исходное положение, внедряют зонд в поверхностный слой на необходимую глубину, отражающую объемные свойства поверхностного слоя, за счет приложения постоянной нормальной нагрузки, и производят второе сканирование, и оценивают вертикальные перемещения зонда, на основании которых строят кривую опорной поверхности и оценивают ее характеристики, а также определяют распределение твердости поверхностного слоя вдоль пути сканирования.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012108774/28A RU2516022C2 (ru) | 2012-03-07 | 2012-03-07 | Способ сбора и обработки информации о поверхности образца |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012108774/28A RU2516022C2 (ru) | 2012-03-07 | 2012-03-07 | Способ сбора и обработки информации о поверхности образца |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2012108774A RU2012108774A (ru) | 2013-09-20 |
RU2516022C2 true RU2516022C2 (ru) | 2014-05-20 |
Family
ID=49182794
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012108774/28A RU2516022C2 (ru) | 2012-03-07 | 2012-03-07 | Способ сбора и обработки информации о поверхности образца |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2516022C2 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2708500C1 (ru) * | 2019-01-30 | 2019-12-09 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева" | Способ оценки параметров профиля поверхности на основе вероятностно-статистической классификации спектра профилограммы |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5477732A (en) * | 1993-10-18 | 1995-12-26 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Adhesion measuring method |
RU2145055C1 (ru) * | 1999-02-08 | 2000-01-27 | Ао "Автэкс" | Способ сбора и обработки информации о поверхности образца |
RU2263879C2 (ru) * | 2003-10-22 | 2005-11-10 | Галиулин Равиль Масгутович | Способ контроля профиля изделия и устройство для его осуществления |
US20060254347A1 (en) * | 2004-04-09 | 2006-11-16 | Naoya Watanabe | Scanning probe device and processing method by scanning probe |
RU2442131C1 (ru) * | 2010-07-21 | 2012-02-10 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов" (ФГБНУ ТИСНУМ) | Устройство для измерения параметров рельефа поверхности и механических свойств материалов |
-
2012
- 2012-03-07 RU RU2012108774/28A patent/RU2516022C2/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5477732A (en) * | 1993-10-18 | 1995-12-26 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Adhesion measuring method |
RU2145055C1 (ru) * | 1999-02-08 | 2000-01-27 | Ао "Автэкс" | Способ сбора и обработки информации о поверхности образца |
RU2263879C2 (ru) * | 2003-10-22 | 2005-11-10 | Галиулин Равиль Масгутович | Способ контроля профиля изделия и устройство для его осуществления |
US20060254347A1 (en) * | 2004-04-09 | 2006-11-16 | Naoya Watanabe | Scanning probe device and processing method by scanning probe |
RU2442131C1 (ru) * | 2010-07-21 | 2012-02-10 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов" (ФГБНУ ТИСНУМ) | Устройство для измерения параметров рельефа поверхности и механических свойств материалов |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2708500C1 (ru) * | 2019-01-30 | 2019-12-09 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева" | Способ оценки параметров профиля поверхности на основе вероятностно-статистической классификации спектра профилограммы |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2012108774A (ru) | 2013-09-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Hay et al. | Instrumented indentation testing | |
Fischer-Cripps | Critical review of analysis and interpretation of nanoindentation test data | |
Hu et al. | Characterization of materials' elasticity and yield strength through micro-/nano-indentation testing with a cylindrical flat-tip indenter | |
US5999887A (en) | Method and apparatus for determination of mechanical properties of functionally-graded materials | |
Yang et al. | Evaluation of change in material properties due to plastic deformation | |
Choi et al. | Measurement of deformations on concrete subjected to compression using image correlation | |
Chae et al. | Roughness measurement of rock discontinuities using a confocal laser scanning microscope and the Fourier spectral analysis | |
EP2291635B1 (en) | Surface evaluation employing orthogonal force measurement | |
Eshraghi et al. | Effect of subset parameters selection on the estimation of mode-I stress intensity factor in a cracked PMMA specimen using digital image correlation | |
Samadian et al. | Measurement of CTOD along a surface crack by means of digital image correlation | |
US20190145878A1 (en) | Methods for surface evaluation | |
Ososkov et al. | In-situ measurement of local strain partitioning in a commercial dual-phase steel | |
Randall et al. | Combining scanning force microscopy with nanoindentation for more complete characterisation of bulk and coated materials | |
RU2646442C1 (ru) | Способ определения физико-механических характеристик модифицированного поверхностного слоя материала изделия и устройство для его осуществления | |
Farmakovskaya et al. | Application of the spherical indenter for determination of the elastic modulus of coatings | |
RU2516022C2 (ru) | Способ сбора и обработки информации о поверхности образца | |
Meza et al. | Using the ratio: maximum load over unload stiffness squared, Pm/Su², on the evaluation of machine stiffness and area function of blunt indenters on depth-sensing indentation equipment | |
Djuzhev et al. | Non-destructive method of surface mapping to improve accuracy of mechanical stresses measurements | |
Szymczak | Investigations of material behaviour under monotonic tension using a digital image correlation system | |
Kato | Detection of fatigue damage in steel using laser speckle | |
JPH10307094A (ja) | コンクリートの非破壊強度試験方法 | |
Griepentrog et al. | Instrumented indentation test for hardness and materials parameter from millinewtons to kilonewtons | |
Kao | Surface instability as damage evolution in rock | |
Soifer et al. | Investigation of the local mechanical properties of potassium chloride single crystals by atomic force microscopy | |
Enders et al. | Determination of the real indenter shape for nanoindentation/nanotribology tests by surface metrological and analytical investigations |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140413 |