Прилад для визначення мікро механічних характеристик поверхневого шару матеріалів методами індентування та склерометрії

Короткий опис

Прилад для визначення мікро механічних характеристик поверхневого шару матеріалів методами індентування та склерометрії : Дис... канд. наук: 05.11.13 2008

Закієв І.М. Прилад для визначення мікромеханічних характеристик поверхневого шару матеріалів методами індентування та склерометрії. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.13 прилади і методи контролю та визначення складу речовин. Національний технічний університет України Київський політехнічний інститут”, Київ, 2008.
Дисертацію присвячено вирішенню актуальної проблеми визначення мікромеханічних характеристик локальних ділянок поверхневого шару матеріалів та виробів методами індентування та склерометрії на основі розробки багатофункціонального автоматизованого приладу та відповідного методичного забезпечення. Для забезпечення у приладі контролю та керування переміщеннями індентора розроблений електромагнітний навантажувач, призначений для перетворення сили електричного струму у механічне зусилля. Для вимірювання малих переміщень індентора розроблений індуктивний датчик, що має покращенні порівняльно з існуючими типами показники. Спроектований та випробуваний оригінальний диференціальний компенсатор шкідливих пружних зміщень конструктивних елементів приладу. Розроблено та апробовано спеціальне алгоритмічне та програмне забезпечення, яке призначене для керування режимами роботи електронних вузлів приладу, настроювання та тарирування каналу вимірювань, обробки, збереження та представлення даних вимірювання. . Розроблені методичні засади корекції діаграми вдавлювання з урахуванням особливостей початкового контакту, що забезпечує сталі значення нано- і мікротвердості при різних значеннях навантажування та глибини вдавлювання, а також на базі запропонованої моделі силового впливу на індентор розроблений метод визначення характеристики неоднорідності структурно-деформаційних властивостей матеріалу вздовж траси сканування, виключаючи вплив рельєфу поверхні.

Головний науковий результат роботи вирішення науково технічної задачі, що пов’язана з науковим обґрунтуванням та розробкою автоматизованого багатофункціонального приладу для визначення та контролю мікромеханічних характеристик поверхневого шару матеріалів методами безперервного вдавлювання та сканування індентором.

Сучасні апаратурні засоби контролю фізико-механічних властивостей матеріалів у мікро/нано масштабах методами кінетичного та скануючого індентування (нанотестери) відносяться до нового покоління приладів, що мають високу роздільну здатність реєстрації глибини вдавлювання індентора, однак при порівняльно вузькому діапазоні навантажування. У приладах даного класу використовуються сучасні MEMS технології, вони виробляються в декількох країнах (США, Великобританія, ФРН, Австралія), вартість таких приладів доволі висока, що обмежує їх масове використання для дослідницьких та виробничих потреб.
Розроблена, виготовлена та апробована оригінальна, проста в експлуатації та компактна конструкція приладу з широкими функціональними можливостями для визначення та контролю фізико-механічних властивостей матеріалів у мікро/нано масштабах методами кінетичного індентування та сканування поверхні індентором.
Для забезпечення переміщень індентора розроблений та конструктивно реалізований пристрій (електромагнітний навантажувач) для перетворення сили електричного струму у механічне зусилля. Відмінними особливостями розробленого навантажувача є: широкий діапазон зусиль, що задаються (до 30 Н); реалізація безконтактного навантажування; мала маса якоря; електромагнітне демпфірування шкідливих коливань; лінійна характеристика навантажування.
Для вимірювання малих переміщень індентора розроблений та конструктивно реалізований індуктивний датчик, що має покращенні порівняльно з існуючими типами показники: лінійну характеристику, значне вихідне напруження, малу чутливість до перешкод та малий температурний дрейф. Суттєве підвищення чутливості вимірювань датчиком, що розроблений, забезпечено співвісним розташуванням плоских циліндричних котушок с малим зазором (0,5 мм), що приводить до достатньої по величині зміні індуктивності при малих переміщеннях якоря.
Спроектований та випробуваний оригінальний компенсатор шкідливих пружних зміщень конструктивних елементів приладу, що дозволило суттєво спростити та полегшити конструкцію приладу, збільшити продуктивність операцій випробування. Застосування диференціального компенсатора дозволяє точно ідентифікувати початок дотику індентором поверхні зразка та адекватно робити відлік глибини вдавлювання відносно його поверхні.
Розроблено та апробовано спеціальне алгоритмічне та програмне забезпечення, яке призначене для керування режимами роботи електронних вузлів, настроювання та тарирування каналу вимірювань, обробки, збереження та представлення даних вимірювання. Рівень автоматизації керування приладом, а також процесів реєстрації, обробки та збереження даних відповідає вимогам до багатофункціональних приладів подібного класу.
Розроблено метод та реалізована у програмне забезпечення приладу відповідна методика корекції діаграми вдавлювання з урахуванням особливостей початкового контакту, яка полягає у використанні замість експериментальної діаграми вдавлювання квадратичної функції з корекцією експериментальних значень глибини вдавлювання. Використання даної методики забезпечує сталі значення нано- і мікротвердості у діапазоні глибини вдавлювання, що реєструється, і, відповідно, виключення явища масштабного ефекту твердості.
На базі запропонованої моделі силового впливу на індентор розроблений метод та реалізована у програмному забезпеченні приладу відповідна методика, яка дозволяє визначати характеристики неоднорідності структурно-деформаційних властивостей матеріалу вздовж траси сканування, виключаючи вплив рельєфу поверхні. Даний підхід, який реалізований у розробленому приладі, відкриває широкі можливості тестового діагностування тонких поверхневих шарів конструкційних матеріалів методом дряпання.
Різні модифікації розробленого приладу впроваджені та використовуються для проведення наукових досліджень, інженерно-технічних задач та в навчальному процесі у провідних наукових організаціях, університетах та підприємствах України: Інституті електрозварювання ім. Є. Патона НАН України (м. Київ), Інституті проблем матеріалознавства ім. І. Францевича НАН України (м. Київ), на ДП завод 410 ЦА (м. Київ), Національному технічному університеті України «КПІ» (м. Київ), Національному авіаційному університеті (м. Київ) (акти впровадження додаються).