Устройство для исследования микромеханических свойств материалов Советский патент 1992 года по МПК G01N3/42 

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к устройствам для исследования микромеханических свойств материалов(микротвердости, микрохрупкости и др.) методами вдавливания и царапания.

Широко известны устройства для исследования микромеханических свойств материалов методом вдавливания, в частности, устройство, содержащее корпус, на котором установлены с возможностью качания предметный стол для образца, и плоскопараллельные пружины, на которых закреплен индёнтор в виде штока с наконечником на одном конце и противовесом на другом, датчики для измерения нагрузки и глубины погружения индентора. взаимодействующие со штоком, узел регистрации в виде двухкоординатного регистратора, функциональный генератор, сумматор и соглзсователь уровня сигналов.

Недостатком данного устройства является то, что результаты измерений в виде диафрагмы нагрузка-глубина внедрения требу ют дальнейшей обоаботки для расчета искомых параметров, что в значительной мере усложняет процесс измерений, снижает его производительность. К тому же известное устройство позволяет проводить измерения только методом вдавливания и при исследовании методом царапания возникает необходимость в другом устройстве.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство для исследования микротвердости материалов, содержащее корпус, закрепленные на

сл

00

4

ч ч

нем во взаимно перпендикулярных плоскостях пьезоэлектрические узлы со штоками, нагружающее устройство в виде двух упругих колец, расположенных одно над другим и соединенных между собой перемычкой, с которой взаимодействуют штоки пьезоэлектрических узлов, тензодатчики, закрепленные на упругих кольцах генератор линейно изменяющегося напряжения, источник высокого напряжения, тензометрическую станцию и самописец, на котором записывается диаграмма зависимости глубины вдавливания от нагрузки и при склерометрии зависимость нормальной и тангенциальной составляющих усилия царапания от глубины царапания.

Недостатком данного устройства является низкая точность измерений, обусловленная тем, что не обеспечивается равномерность скорости внедрения инден- тора в образец при вдавливании или горизонтального перемещения индентора в процессе царапания образца. Обработка результатов измерений также длительна и трудоемка.

Целью изобретения является повышение точности и снижение трудоемкости измерений.

Поставленная цель достигается тем, что устройство, содержащее корпус, закрепленные на нем во взаимно перпендикулярных плоскостях пьезоэлектрические узлы со штоками, нагружающий механизм выполненный в виде двух упругих колец, расположенных в одной плоскости, одно над другим, и соединяющей их перемычки, предназначенной для взаимодействия со штоками пьезоэлектрических узлов, тензодатчики, закрепленные на упругих кольцах, индентор, тензостанцию, входы которой соединены с тензодатчиками, и последовательно соединенные генератор линейно изменяющегося напряжения и источник высокого напряжения, выходы которого соединены с пьезоэлектрическими узлами, согласно изобретению снабжено соединенными последовательно коммутатором, аналого-цифровым преобразователем и микро-ЭВМ, компаратором, вход которого соединен с тензодатчиками а выход - с управляющим входом коммутатора, и циф- роаналоговым преобразователем, вход которого соединен с блоком вывода микро-Э В М, а выход - со входом генератора линейно изменяющегося напряжения.

На фиг.1 показана блок-схема устройства для исследования микромеханических свойств материалов; на фиг.2 схема нагружающего механизма.

Устройство содержит блок микроперемещений 1. включающий два пьезоэлектрических узла 2, 3. нагружающий механизм в виде двух упругих колец 4,5с жесткой перемычкой б, на которую давят при своем удлинении пьезоэлектрические узлы 2, 3 через штоки 7, 8, тензодатчики 9-12, закрепленные на упругих кольцах 4. 5, индентор 13, столик с испытуемым образцом 14, тензо0 метрическую станцию 15, компарл ор 16, вход которого соединен с тензодатчиками 9-12 блока 1 микроперемещений, а выход с коммутатором 17, вход которого соединен с тензостанцией, аналого-цифровой преобра5 зователь 20, генератор линейно изменяющегося напряжения 21, источник высокого напряжения 22, выход которого соединен с пьезоэлектрическими узлами 2, 3. Результаты измерений фиксируются блоком вывода

0 23, включающим дешифратор и индикатор. Устройство работает следующим образом.

В память микро-ЭВМ 19 вводят исходные данные о глубине и скорости внедрения

5 индентора 13 в образец 14 или о глубине внедрения и скорости горизонтального перемещения индентора по поверхности образца, в зависимости от метода, которым будут проводиться испытания. Индентор

0 подводят вручную к поверхности образца и включают микро-ЭВМ 19 на режим измерений. Получив сигнал на разрешение работы, микро-ЭВМ подает на входы цифроаналого- вого преобразователя 20 серию импульсов,

5 которые преобразовываются в аналоговый сигнал, поступающий на вход генератора линейно изменяющегося напряжения 21, который в свою очередь управляет источником высокого напряжения 22, выходы кото0 рого подключены к пьезоэлектрическим узлам 2,3.

При испытании образца по методу вдавливания напряжение подается на пьезоэлектрический узел 2, он удлиняется и через

5 шток 7 давит на перемычку б, индентор 13 при этом перемещается вниз. В местах наклейки тензодатчиков 9 внутренние волокна кольца 4 растягиваются, а наружные сжимаются. Деформация волокон приводит к из0 менению сопротивления тензодатчиков 9, собранных в мостовую схему. На диагонали моста появляется напряжение разбаланса, которое усиливается тензостанцией 15 и подается на коммутатор 17. В момент касания

5 индентором 13 поверхности образца 14 начинается деформация волокон в точках наклейки тензодатчиков 10, напряжение разбаланса мостовой схемы тензодатчиков 10 передается на коммутатор 17. Выход компаратора 16 подключен к входу разрешения

прохождения сигналов коммутатора 17. Таким образом коммутатор 17 начинает пропускать сигналы только в момент касания индентором образца. Далее сигналы преобразуются аналого-цифровым преобразователем 18 в цифровую форму, подаются на входы микро-ЭВМ 19 и записываются в ее памяти. Микро-ЭВМ 19 отслеживает сигнал вертикального перемещения индентора 13, поступающий при разбалансе моста, собранного на тензодатчиках 9, и корректирует с помощью обратной связи - цифроаналоговый преобразователь 20, генератор линейно изменяющегося напряжения 21, источник высокого напряжения 22, пьезоэлектрический узел 2 нагрузку на шток 7. Таким образом скорость внедрения индентора 13 в образец 14 поддерживается постоянной. При достижении заданной глубины внедрения индентора 13 в образец 14 микро-ЭВМ 19 снимает нагрузку и после возвращения индентора в исходное положение производит вычисления по программе и результат поступает на устройство вывода 23.

При испытании образца царапанием микро-ЭВМ 19 через цифроаналоговый преобразователь 20, генератор линейно изменяющегося напряжения 21, источник высокого напряжения 22 подает напряжение на пьезоэлектрический узел 2, индентор 13 внедряется в образец 14 на заданную глубину, при достижении которой микро- ЭВМ 19 посылает команду подачи напряжения на пьезоэлектрический узел 3, он удлиняется и через шток 8 давит на жесткую перемычку 6, индентор 13 начинает перемещаться в горизонтальном направлении. Сигнал горизонтального перемещения индентора 13 (длина царапины) снимается с диагонали мостовой схемы, собранной на тензодатчиках 11, усиливается в тензостан- ции 15 и через коммутатор 17 передается на аналого-цифровой преобразователь 18, далее на входы микро-ЭВМ 19. С диагонали мостовой схемы, собранной на тензодатчиках 12, поступает сигнал, представляющий собой тангенциальную составляющую силы цорэпания, этот сигнал также передается на входы микро-ЭВМ 19. Сигналы в цифровой форме записываются в ячейках памяти мик- ро-ЗВМ 19, а сигнал горизонтального перемещения индентора 13 отслеживается и в соответствии с его изменением корректируется напряжение на пьезоэлектрическом узле 3, т.е. нагрузка на шток 8 поддерживается таким образом, чтобы скорость горизонтального перемещения индентора 13 по поверхности образца 14 была равномерной.

При достижении максимальной величины напряжения на пьезоэлектрическом узле 3 микро-ЭВМ отключает его и при нулевом значении этого напряжения отключает на- 5 пряжение, поданное на пьезоэлектрический узел 2. После возвращения индентора 13 в исходное положение микро-ЭВМ производит вычисления по программе и выводит результат на блок 23. Устройство 10 позволяет автоматически контролировать величину микротвердости, микрохрупкости и других микромеханических свойств образца непосредственно в процессе внедрения индентора в образец при испытании вдав- 15 ливаниемг либо в процессе горизонтального перемещения индентора по поверхности образца при испытании царапанием.

Положительный эффект предлагаемого

0 устройства по сравнению с известным по прототипу заключается в повышении точности измерений за счет автоматической фиксации начала измерения и равномерного внедрения в образец или равномерного го5 ризонтального перемещения инденторз по поверхности образца, а также снижение трудоемкости измерений за счет исключения операций ручной обработки результатов.

0 Формула изобретения

Устройство для исследования микромеханических свойств материалов, содержащее корпус, закрепленные на нем во взаимно перпендикулярных плоскостях

5 пьезоэлектрические узлы со штоками, нагружающий механизм, выполненный в виде двух упругих колец, расположенных в одной плоскости, одно над другим, и соединяющей их перемычки, предназначенной для

0 взаимодействия со штоками пьезоэлектрических узлов, тензодатчики, закрепленные на упругих кольцах, индентор, тензостан- цию, входы которой соединены с тензодат- чиками, и последовательно соединенные

5 генератор линейно изменяющегося напряжения и источник высокого напряжения, выходы которого соединены с пьезоэлектрическими узлами,отличающееся тем, что, с целью повышения точности контроля

0 и снижения трудоемкости измерений, оно снабжено соединенными последовательно коммутатором, аналого-цифровым преобразователем и микроЭВМ, компаратором, вход которого соединен с тензодатчиками.

5 а выход - с управляющим входом коммутатора, и цифроаналоговым преобразователем, вход которого соединен с блоком вывода микроЭВМ, а выход - с входом генератора линейно изменяющегося напряжения.

15

Л

IB

/9

23

Изобретение относится к испытанию материалов, а именно к измерениям микротвердости, микрохрупкости и др. методом вдавливания или царапания образца. Цель изобретения - повышение точности контроля и снижение трудоемкости измерений. Устройство содержит блок микроперемещений индентора, включающий пьезокерамические узлы со штоками, упругие кольца с тензодат- чиками и электронную схему, включающую тензоста«цию, компаратор, коммутатор, аналого-цифровой преобразователь, микро- ЗВМ, цифроаналоговый преобразователь, генератор линейно изменяющегося напряжения и источник высокого напряжения. Повышение точности достигается за счет обеспечения равномерного нагружения, а снижение трудоемкости - за счет автоматизации процесса измерений. 2 ил

Ри&1

3

п