Способ определения физико-механических характеристик материала Советский патент 1992 года по МПК G01N3/48 

Изобрэтениеотносится к исследованию характеристик материалов путем внедрения индентора в образец и может быть использовано для определения физико-механических характеристик поверхностных слоев материалов.

Известен метод определения физико- механических характеристик поверхностных слоев материалов по их микротвердости с регистрацией основных параметров в виде двухкоординатной диаграммы вдавливания нагрузка-глубина погружения индентора.

Однако точность такого метода в значительной степени зависит от точного установления момента контакта индентора с испытуемым образцом. Установить этот момент при реализации способа невозможно,

что приводит к существенным ошибкам в значениях измеряемых параметров,

Известен способ, реализуемый устройством для измерения твердости, содержащим чувствительный элемент, регистрирующий момент контакта индентора с поверхностью образца.

Однако ввиду того, что базирующий наконечник чувствительнбго элемента удален он зоны контакта индентора с образцом,точ- нре определение момента контакта индентора с образцом невозможно, что значительно искажает результаты измерений.

Известен способ определения физико- механических характеристик слоев материалов, включающий внедрение индентора в испытуемый материал, выдержку под нагрузкой и разгрузку при одновременной регистрации усилия и глубины внедрения инентора па протяжении полного цикла испытаний с последующим определением искомых физико-мехзнических характеритик по диаграмме, построенной в координатах усилие-глубина внедрения. При этом увствительность измерительной схемы рибора по каналу Усилие в первоначальый момент касания индентора с образцом величена, а затем изменяется на заранее выбранный диапазон.

Однако для фиксации момента контака индентора с образцом по такому способу необходимо значительно увеличить чувствительность измерительного тракта, что существенно уменьшает производительность процесса измерений. Кроме того, такой спооб не1 позволяет производить измерения при малых нагрузках и глубинах внедрения о 0,5 мкм, что необходимо при исследовании поверхностных слоев материалов.

Цель изобретения - расширение эксплуатационных возможностей процесса определенияф и з и к о - м ё х а н и ч е с к и х характеристик материала за счет возможноти определения характеристик материалов при малых нагрузках.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения физико-механических характеристик материалов, включающему внедрение индентора в испытуемый материал, выдержку его под нагрузкой, разгружение при одновременной регистрации нагрузки и глубины внедрения индентора и построение диаграммы в координатах усилие - глубина внедрения, с учетом координат которой определяют физико-механические характеристики материала, перед внедрением индентора наносят на поверхность испытуемого материала слой материала, твердость которого не менее чем на порядок отличается от твердости испытуемого материала, а толщины больше высоты прбфиля микрогеометрии испытуемого материала, внедряют индентор на глубину, большую толщины слоя, получают точку перегиба на диаграмме, которую принимают за начало отсчета.

На фиг. 1 приведен фрагмент внедрения индентора в испытуемый материал через нанесенный слой материала; на фиг. 2 - пример диаграммы полного цикла испытаний.

Способ осуществляется следующим образом.

На поверхность образца 1 методом,например, вакуумного напыления наносят слой материала 2, твердость которого не менее чем на порядок отличается от твердости испытуемого материала, а толщина

больше высоты микропрофиля поверхности образца R°max. Затем в образец внедряют индентор 3 под нагрузкой, производят выдержку и разгрузку при одновременной регистрации усилия и глубины внедрения индентора 3 на протяжении полного цикла испытаний. Внедрение индентора производят на глубину, большую толщины нанесенного слоя, и точку перегиба на ветви

нагружения, характеризующую прохождение индентором границы нанесенного слоя и поверхности образца, принимают за начало отсчета (начало координат). Искомые фи- зико-механические характеристики

материала определяются по площадям характерных участков диаграммы испытаний, построенной п координатах усилие-глубина внедрения.

П р и м е р 1, При реализации способа в

качестве образцов для проведения испытаний использовали заготовки из технической меди пазмером 50 20 10 твердостью 46 х 107 Н/м2. На поверхность образца 1 методом вакуумного напыления наносили слой 2

кварца твердостью 720 107 Н/м2,толщиНОЙ 8 MKM (RHmax). Поверхность ОбрЭЗЦОВ

испытуемого материала (меди) перед нанесением на них кварца шлифовали и полировали, при этом высота м и к р о п р о ф и л я

поверхности образцов составляла 6 мкм (R°-:; x). В образец на глубину 12 мкм внедряли индентор 3 и по регистрируемому усилию строили диаграмму испытаний (фиг. 2).

На участке нагружения диаграммы в момент контакта индентора с испытуемым материалом возникает перегиб в точке О, характеризующий переход индентора из более твердого (в данном случае) в более мягкий

материал. Для определения физико-механических характеристик начало участка нагружения располагали в точке 02 перегиба и по площадям характерных участков диаграммы находили искомые характеристики как

отношение площади участка к общей площади диаграммы.

П р и м е р 2. Условия испытаний те же, что и в примере 1. Измерения производили на образцах размером 30 20 х 10 из зака0 ленной стали 40Х твердостью 870 10 Н/м . На поверхность образцов наносили слой меди толщиной 8 мкм твердостью 56 /10 Н/м (в данном примере твердость материала образца более чем на порядок больше

5 твердости материала наносимого слоя). В этом случае индентор внедряли на величину 10 мкм первоначально в более мягкий материал (участок ветви нагружения диаграммы испытания пологий) и при переходе в более твердый материал испытуемого образца

(участок ветви нагружения более крутой) на

участке нзгружения диаграммы -возникает точка перегиба О . принимаемая за начало отсчета.

Приведенные примеры демонстрируют, что в зависимости от твердости испытуемо- го материала необходимо для нанесения покрытия использовать материал, твердость которого отличается от твердости материала образца.

В указанных примерах величина внед- рения индентора не превышала 4 мкм. Такие малые глубины внедрения в испытуемый образец позволяют исследовать поверхностные слои материала, что существенно расширяет технологические возможности способа определения физико- механических характеристик материалов.

Формула изобретения

Способ определения физико-механических характеристик материала, заключаю-

щийся в том, что внедряют индентор в испытуемый материал, выдерживают его под нагрузкой, разгружают его, одновременно регистрируют нагрузку и глубину внедрения индентора и строят диаграмму в координатах усилие - глубина внедрения, с учетом координат которой определяют физико-механические характеристики материала, отличающийся тем, что, с целью расширения эксплуатационных возможностей, перед внедрением индентора наносят на поверхность испытуемого материала слой материала, твердость которого не менее чем на порядок отлична от твердости испытуемого материала, а толщина больше высоты профиля микрогеометрии испытуемого материала, внедряют индентор на глубину, большую толщины слоя, получают точку перегиба на диаграмме, которую принимают за начало отсчета.

Изобретение относится к исследованию свойств материалов, предназначено для определения физико-механических характеристик поверхностных слоев материалов и позволяет расширить эксплуатационные возможности, Перед испытаниями на поверхность материала наносят слой другого материала, твердость которого не менее чем на порядок отлична от твердости испытуемого материала, а толщина больше высоты профиля микрогеометрии испытуемого материала, внедряют индентор в материал на глубину, большую толщины нанесенного слоя, производят выдержку и разгрузку с последующим определением искомых физико-механических характеристик по диаграмме, построенной в координатах усилие - глубина внедрения, начало которой совмещают с точкой перегиба. 2 ил. со

фиг. /

о

Ктох

рд |

Pi, и

Ii

15

11

««

I

f

$

0

0.

у

fa, MKH

/jw&jHa бнедрения индентара ht мкн

фиг. 2

fa, MKH