RU6065U1 - Микротвердомер - Google Patents

Abstract

Микротвердомер, содержащий основание с предметным столиком, стойку, закрепленную на основании, траверсу, установленную на стойке с возможностью вертикального перемещения, узел привода нагружения с упругим арретиром, механизм нагружения, в котором на упругих направляющих закреплен шток с индентором, датчики нагрузки и глубины отпечатка, электрически связанные с вторичным регистрирующим устройством, отличающийся тем, что он снабжен направляющей в форме стакана с осевым отверстием в днище под индентор, в полости которого размещен механизм нагружения, и установленным в нижней части стакана магнитоуправляемым датчиком перемещений индентора, постоянный магнит которого размещен на нерабочей плоскости индентора, причем стакан установлен на траверсе с возможностью осевого перемещения и контактирования с образцом нижней торцевой поверхностью, а каретка со сменными грузами установлена в полости стакана с возможностью вертикального перемещения посредством жесткого арретира узла привода нагружения, который установлен на верхней утолщенной торцевой поверхности стакана.

Description

Авторы; Скворцов В.Н., Абубакиров А.В., Аванесов B.C., Алехин В.П., Берлин Г.С., Булычев С.И., Гарина U.B., Кошкин В.И., Салащенко В. А. Ш{KPOTBEPДO EP

Полезная.модель относится к устройствам для исследования прочностных свойств материалов путем приложения к ним механических усилий, а именно - к микротвердомерам.

Полезная модель может быть использована в металловедении, металлургии, машиностроении, в области обработки металлов давлением и в минералогии в качестве метода исследования физико-механических свойств поверхностных слоев широкого класса материалов. Изобретение может быть использовано для изучения реологических процессов (микроползучесть, релаксация) металлических и неметаллических соединений, для исследования процесса разрушения поверхностных слоев твердого тела и его связи с контактным взаимодействием при вдавливании индентора, в областях механики контактного разрушения и триботехники.

Известен микротвердомер, включаюпщй в себя корпус, каретку с возможностью вертикального перемещения и несущую подвеску в виде упругих направляющих со штоком и индентором, средства измерения деформации пружин и перемещений индентора (см. сб. Новое в области испытания на микротвердость, 1974,Наука,с.100 -107.). Микротвердомер не обеспечивает сохранение постоянства усилш в

МКИ G 01 N 3/48

материаяе образца на стадии Выдержка под нагрузкой. Т.е. обеспечивается методически неверная регистрация участка диаграммы микроползучести. Этот аффект проявляется в том, что в момент прекращения нагружения до выбранной максимальной нагрузки испытываемый материал находится не под постоянной силой пружин, а под действием их ослабляющего действия, вследствие роста глубины отпечатка. Особенно это проявляется при испытании материалов, обладаюпщх способностью к ползучести при комнатной температуре.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому прибору является микротвердомер, включающий корпус, щток с индентором и грузом, установленный на подвеске в виде упругих направляющих с возможностью осевого перемещения, каретку, установленную в корпусе с возможностью перемещения параллельно оси индентора, двух упругих арретиров кщ)етки, узел перемещения каретки, датчики регистрации деформации упругих арретиров (приложенных сил) и датчик регистрации перемещений индентора (см. А.С. СССР N 678540).

Микротвердомер обеспечивает условие постоянства усилия на образце в момент, когда арретир выведен из контакта со щтоком. Однако при этом не устраняется погрешность измерения величины микротвердости. Структурная схема измерительной цепи средства для измерения усилий в данном микротвердомере выполнена таким образом, что предполагает наличие помехи в виде восстанавливающей силы упругих щайб. Закрепленные в неподвижной.траверсе и несущие щток с индентором, взаимодействующий с подвижным упругим арретиром, упругие шайбы и создают ту восстанавливающую силу, которая воздействуя на упругий арретир, создает помеху в виде возрастающей посторонней силы. Появление подобной помехи приводит, во-первых, к погрешности измерения усилий, поскольку часть массы груза тратится и на создание деформации упругих шайб. Во-вторых, еще до момента касания индентора поверхности образца, помеха вносит неопределенность при измерении глубины отпечатка, начиная с момента контакта индентора с поверхностью материала испытываемого образца. Т.е. появляется неопределенность истинного нуля диаграммы.

Общим недостатком рассмотренных микротвердомеров является также неучет погрешности, возникающей упругих деформаций сочленений узлов предметного столика и его элементов. Последние, составляющие измерительную цепь средства регистрации глубины отпечатка, в процессе нагружения испытываемого образца возрастающей силой, упруго деформируются. В результате этого, помимо истиной глубины отпечатка средство регистрации будет регистрировать и эти деформации. -В результате возникает погрешность при определении величины микротвердости. Погрешность тем больше, чем меньше жесткость сочленений.

Серьезным недостатком указанных приборов является также неучет упругих деформаций как оправки индентора в посадочном отверстии штока,так и нежесткость заделки в оправке индентора зерна алмаза.

Задачей полезной модели является создание микротвердомера с более широкими методическими возможностями и с таким конструктивным выполнением, которое позволило бы исключить погрешности измерения величины микротвердости.

Поставленная задача достигается тем, что. микротвердомер, содержашдй основание с предметным столиком, стойку, закрепленную на основании, траверсу, установленную на стойке с возможностью

вертикального перемещения, узел привода нагружения с упругим арретиром, механизм нагружения, в котором на упругих направляющих закреплен шток с индентором, датчики нагрузки и глубины отпечатка, электрически связанные с вторичным регистрирующим устройством, согласно полезной модели снабжен направляющей в форме стакана с осевым отверстием в днище под индентор, в полости которого размещен механизм нагружения, и установленным в нижней части стакана магнитоуправляемым датчиком перемещений индентора, постоянный магнит которого размещен на нерабочей плоскости индентора, причем стакан установлен на траверсе с возможностью осевого перемещения и контактирования с образцом нижней торцевой поверхностью, а каретка со сменными грузами установлена в полости стакана с возможностью вертикального перемещения посредством жесткого арретира узла привода нагружения, который установлен на верхней утолщенной торцевой поверхности стакана.

На фиг.1 представлена схема заявленного микротвердомера, на фиг.2 показан принцип его работы.

Шкротвердомер содержит: массивную стойку 1, жестко зафиксированную на основании 2, предметный столик 3 с испытываемым образцом 4 и установленную на стойке траверсу 5. Перемещение траверсы по направляющей стойки б осуществляется кремарьерой 7.

На траверсе смонтирован пружинный параллелограмм. При этом одни концы двух пар плоских пружин 8 параллелограмма, с помощью прокладок 9, жестко защемлены на траверсе 5, а вторые - свободные несут на себе стакан 10, защемленный на пружинах 8 прокладками 11. Для повышения продольной устойчивости пружин, последние снабжены жесткими пластинами 12. Вертикальное перемещение стакана 10 осуществляется рычажным устройством 13. Последний смонтирован на траверсе 5 и состоит из рукоятки 14 и рычага 15. Последний свободно контактирует с упором 16, жестко закрепленным на стакане 10. Угол.поворота рычага порядка 45 .

Внутренняя полость стакана 10 выполнена в виде направляющей с трением качения. Посредством четырех шариков 17 в стакане осуществляется вертикальное перемещение каретки 18. Подъем и опускание производится вращением жестким арретиром 19. Последний представляет собой рычаг, один конец которого свободно контактирует с внутренней опорной поверхностью заглушки каретки 20, а второй жестко зафиксирован на ползуне 21 узла привода нагружения 22, корпус которого зафиксирован на стакане 10. Перемещение ползуна 21 осуществляется вращением трибки узла привода 23, соединенной ременной передачей 24 с выходным валом 25 редуктора 26, закрепленного на траверсе 5. Внутри блока каретки 18 размещен механизм нагружения. Он состоит из двух упругих прорезных щайб 27, щтока 28 и оправки 29 с алмазным индентором ЭО. Последний зачеканен в оправке таким образом, что имеется свободный доступ к плоской (нерабочей) грани алмаза. При этом на этой грани через промежуточную втулку закреплен управляющий постоянный магнит 32. Промежуточная втулка выполнена из магнитомягкого материала и установлена относительно алмазной грани таким образом, что ее боковая поверхность не касается оправки 29. Для экранировки магнитного потока оправка имеет защитные экраны 33, выполненные из пермаллоя.

Внешние диаметры упругих шайб 27, с помош ю гайки 34, закреплены в корпусе каретки 18, а их внутренние диаметры несут щток 28 жестко защемленный оправкой 29 и стопором 35. Для регистрации упругих деформаций шайб применен механотронный преобMrDIITtjibHbu игврЖбНс KGHi SKTITD/irr ОС LLlT-.. uc Ь UCCDSHKOIvi ±;I-Iz:ir УПГ/Г119 Ш 1:СЫ ООрАБУЮт VITDVrilli гЗй5КП305ЛЛ6ЛОРС-5;у:м v .Г

EC u9pBbiKj ЯЕЛЯЮТСЛ КаК уПСуГИв НаПрЗЕЛЯЮЩ119. иб9СП9ЧИЗйЮ1Ш19 строго ВёрТПКЗЛЬНСв П9р91Л9Щ6НИ& шТОКЗ йо С SJIMSBKOii ПИрЗМИДОИ

При испь тании и во-зторых. ЛЕЛЯЮТСЯ тем упругим динамометрическим элементом, с помощью которого производится плавное приложение усилРПГ к ооравцу за счет деформации шайб к/. :1ри этом датчик о1. вместе с шаиоз лг. преградуирозан Е единии 1Х сильь а его зыходнои электричеокии сигнал подключен к координате i регистрипуЮЩеГО УСТиОИОТБй

иощэл масса каретки iSf змеоте с шаиоами icv, штоком сЬ. оп разкои ;-;г. инлентором ou МЭРНИТОМ и корпусом датчика oi. является той минимальной массой прикладываемой к испытываемому

ра is Н5 контакта о даглушкои каретки и. для увеличения оощеи

массыJ применяется дополнительный сменный груз о/, прикладываемый ; каретке 18.

пр9дство регистрации перемещений индентора 30, предотавлнюшве соиои магнитоупраБляемыи злектронныи преобразователь (.Ivi-yiij. смонтирован на стакане 10. Управление траекторией движения алектроноз в этом датчике осуществляется постоянным магнитом 3.

перед началом испытания зрретир ly установлен таким oopasoM, что мемду острием индентора Уи и нижней торцевой поверхностью отаквна 1и имеется зазоп величиной мкм. гасстояние между нижней тоопевои поверхностью стакана, и поверхностью испытываемоЗаявленный микротвердомер работает следующим образом. Поворотом рукоятки 14 по часовой стрелке дается вертикальное перемещение стакана 10 к поверхности образца 4. При этом рычаг 15 выходит из контакта с стаканом 10 и последний своей нижней торцевой поверхностью прижимается к поверхности образца 4 (фр1Г.-а). При зтом, благодаря упругим связям 8 (пружиннач подвеска в форме плоских пружин), сохраняется возможность перемещений стакана 10 в случае упругих деформаций сочленений узлов столика 3 и сочленения образец 4 - верхняя плита столика.

В момент включения электродвигателя 26 осуществляется вертикальное перемещение ползуна 21 вместе с жестким арретиром 19, а, следовательно, и перемещение каретки 18.

До момента касания вершины индентора 30 с поверхностью испытываемого образца 4 никакие силы на упругие щайбы 27 не действуют и выходной электрический сигнал механотронного преобразователя 36 остается равным нулю. В то же время выходной электрический сигнал магнитоуправляемого преобразователя перемещений пропорционален перемещению магнита 32 и в поле регистрации диагралмы вычерчивается горизонтальная линия ОО. Длина этой линии пропорциональна величине первоначального зазора X между нижней торцевой поверхностью стакана 10 и поверхностью образца 4.

В момент касания вершины индентора с поверхностью образца и при дальнейшем движении каретки 18 упругие направляющие начинают прогибаться (фиг.2-Ь). Величина этого прогиба Y фиксируется механотронным преобразователем усилий 36 и в его электрической цепи появляется сигнал, пропорциональный деформации этих направляющих. В результате этого в поле записи диаграммы вычерчивается кривая ОА, характеризующая процесс вдавливания индентора в испыто , тываемый материал 4. При этом точка О кривой определяет начало отсчета глубины отпечатка hi, полученной от действия силы упругих шайб. Величина этого усилия F , где т-масштабный кюэффициент. С-суммарная жесткость упругих шайб 27, а Yi-деформация этих шайб. В момент времени, когда сопротивление со стороны испытываемого образца материала 4 уравновесится обш;ей массой каретки 18 с грузом 37, жесткий арретир 19 выйдет из контакта с кареткой 18 (фиг.2-е), и электродвигатель 26 после 5-10 секундной работы останавливается. При этом между острием арретира 19 и внутренней поверхностью заглушки 20 образуется зазор порядка 0.5-1 мм. Начиная с этого момента, испытываемый материал оказывается под постоянной нагрузкой Гмах. Последняя складывается из масс каретки и сменного груза за вычетом потерь на трение качения в направляюшдх каретки 18. В.случае способности испытываемого материала к микроползучести при комнатной температуре, в поле записи диаграммы вычерчивается горизонтальный участок ВС (фиг.2-d), характеризующий собой процесс прироста глубины отпечатка под действием постоянной нагрузки Fmax (микроползучесть) за заданное время выдержки. Снятие нагрузки с образца материала осуш,ествляется реверсированием электродвигателя. При этом происходит подъем каретки 18, действие пружин 27 на материал начинает ослабевать и в поле записи происходит запись участка диаграммы CD, характеризующего процесс упругого восстановления (ho) испытываемого образца при уменьшении нагрузки (фиг.2-е). Точка Е, участка диаграммы DE, характеризует собой выход алмазного индентора из контакта с образцом 4, а возвращение в исходное положение О- окончание работы прибора и автоматическое отключение электродвигателя.

Предлагаемый микротвердомер позволяет повысить точность фиксации по диаграмме вдавливания нуля диаграммы. Эффект достигается заменой в узле привода нагружения упругого арретира с датчиком силы жестким арретиром, приданием упругим шайбам с штоком и индентором функции динамометрического узла. Для регистрации упругих деформаций этих шайб датчик силы размещен непосредственно в движуш.ейся каретке, несущей динамометрический узел. При таком конструктивном решении из цепи датчика силы исключена помеха в виде восстанавливающей силы упругого звена шайб, поскольку именно эта восстанавливаюшая сила оказалась той рабочей силой, за счет которой и происходит процесс приложения нагрузки к испытываемому образцу материала. При записи диаграммы вдавливания начало отсчета диаграммы четко выражено, поскольку в цепи датчика силы отсутствуют какие-либо помехи. Отсчет глубины отпечатка от нулевой точки достаточно высок. Точность расчета по параметрам диаграммы (сила и глубина отпечатка) величины микротвердости повышена практически на порядок.

Размещение движущейся каретки с механизмом нагружения в стакане, свободно контактирующем с поверхностью образца материала, расположение датчика глубины отпечатка в этом стакане, а управляющего постоянного магнита на нерабочей грани алмаза, позволило выполнить цепь измерения глубины отпечатка замкнутой. При этом из этой цепи автоматически исключена помеха в виде паразитных упругих деформаций подвижных сочленений как узлов прибора, так и деформаций в боковой поверхности заделки алмазного зерна в оправке.

Решение задачи разарретирования каретки при нагружении об. /

D3duii И гОЗмОЖНиСТИ ПрИЛиЖ КЫи. мЗСиЫ С ДиииЛКИТвЛЪНЫмИ ГруЗЭг МИ ПОЗЕОЛИЛО расширить ИНшОрМЗтИЕНОСТЬ ДИЗГрЙММЫ ЕДШЗЛИБЭНИЯ, т.6 ПОЯЕИЛЗСЬ БОЗмОЖНОСТЬ рвГИСТрЗЦИИ ДИЗГрЗММЫ мИКрОПиЛЗуЧвСТК

в координатах глубина отпечатка-время двиотБия постоянной мадзсы.

Уалвитель; Гиоударственная НУФХИ и газа, им.и.М.Губкина. Проректор по научной ра|1бт§/ йг им.И.М.Губкина

иТрИЖОБ

р

. .АГ -iff

Claims (1)

1. Микротвердомер, содержащий основание с предметным столиком, стойку, закрепленную на основании, траверсу, установленную на стойке с возможностью вертикального перемещения, узел привода нагружения с упругим арретиром, механизм нагружения, в котором на упругих направляющих закреплен шток с индентором, датчики нагрузки и глубины отпечатка, электрически связанные с вторичным регистрирующим устройством, отличающийся тем, что он снабжен направляющей в форме стакана с осевым отверстием в днище под индентор, в полости которого размещен механизм нагружения, и установленным в нижней части стакана магнитоуправляемым датчиком перемещений индентора, постоянный магнит которого размещен на нерабочей плоскости индентора, причем стакан установлен на траверсе с возможностью осевого перемещения и контактирования с образцом нижней торцевой поверхностью, а каретка со сменными грузами установлена в полости стакана с возможностью вертикального перемещения посредством жесткого арретира узла привода нагружения, который установлен на верхней утолщенной торцевой поверхности стакана.