Спосіб визначення твердості матеріалів

Спосіб визначення відновленої твердості матеріалів, який полягає в тому, що твердість визначається при кінетичному індентуванні поверхні матеріалу індентором відомої форми з безперервною фіксацією навантаження на індентор та глибини втискування в матеріал з побудовою кривої індентування в координатах "навантаження - переміщення індентора", який відрізняється тим, що визначається глибина відновленого відбитка, після чого визначається твердість за формулою: Fmax віднов HIT , Sh ост.конт . Корисна модель належить до галузі матеріалознавства, а саме до способів визначення механічних властивостей матеріалів. Відомі способи визначення твердості матеріалів за методом відновленого відбитку (ГОСТ 299975. Металлы и сплавы. Метод измерения твердости по Виккерсу; ГОСТ 9012-59 Метод измерения твердости по Бринеллю), що полягають у втискуванні в поверхню досліджуваного відбитку індентора певної форми (кульки, піраміди) при фіксованому навантаженні. Після витримки втиснутого індентора протягом певного часу навантаження знімають та визначають характеристичні розміри пластичного відбитку: діаметр або довжину діагоналі. Твердість визначають як відношення навантаження до площі поверхні відновленого відбитку або за спеціальними таблицями. Проте, вказані способи не дають задовільних результатів при визначенні твердості тонких шарів або дуже твердих матеріалів, коли розміри відбитку визначається нанометрами. Навіть за допомогою сучасних засобів оптичної та електронної мікроскопії не завжди можливо з високою точністю визначити характеристичний розмір відновленого відбитку. Відомий спосіб (Applications Bulletin / Editor Nicholas Randall: [Електрон.ресурс]. - Режим доступу: http://www.csm instruments.com/en/webfmsend/29), що полягає у визначенні твердості за дійсною площею відбитку. Досліджувана дільниця матеріалу сканується за допомогою скануючого силового мікроскопу. Після чого за допомогою індентора певної форми при фіксованому навантаженні роблять відбиток та виконують повторне сканування. За одержаними параметрами дійсного відбитку підраховують його площу. Твердість визначається відношенням навантаженні до відповідної дійсної площі відновленого відбитку. Недоліком цього способу є те, що голка скануючого мікроскопу має порівняно значні розміри та може зазнавати деформацію під час сканування, що вносить суттєву похибку в кінцевий результат. Крім того, постає необхідність у складному та коштовному обладнанні. Відомий спосіб визначення твердості при індентуванні матеріалів (ISO 14577:2002(Е) Metallic materials - Instrumented indentation test for hardness and materials parameters. Part 1: Test method), що полягає у втискуванні в поверхню досліджуваного матеріалу індентора певної форми (частіше пірамідального) з фіксацією навантаження та глибини втискування індентора. Визначається глибина контакту між індентором та зразком за способом Олівера та Фарра (Oliver W.C., Pharr G.M. An improved technique for determining hardness and elastic віднов де HIT - відновлена твердість матеріалу, ви значена при кінетичному індентуванні, Н/мм2; Fmax - максимальне навантаження на індентор, Н; Shост.конт . - площа втиснутої частини індентора в (19) UA (11) 53640 (13) U момент останнього контакту з матеріалом при розвантаженні, мм. 3 modulus using load and displacement sensing indentation experiments // J. Mater.Res. - 1992. - 7. No 6. - P.1564-1583.) як частина повного переміщення індентора. Повне переміщення індентора дорівнює: h hc h s h f hid , де h - повне переміщення індентора, мм; hc - глибина контакту, мм; h s - висота пружного прогину матеріалу на краї відбитку, мм; h f - пружний прогин силової рами, мм; h id - теплове розширення стрижня, на якому закріплено індентор, мм. Для визначення пружного прогину силової рами та теплового розширення стрижні з індентором достатньо знати повну характеристику застосованого приладу. Висота пружного прогину матеріалу на краї відбитка знаходиться розрахунковим шляхом за формулою: Pmax , hs S де h s - висота пружного прогину матеріалу на краї відбитку, мм; - коефіцієнт, що залежить від форми індентора, Pmax - максимальне навантаження на індентор, Н; S - жорсткість контакту визначається за кутом нахилу дотичної до першої третини кривої розвантаження: S dP . Достовірне визначення жорсткоdh сті контакту можливе лише з використанням спеціального програмного забезпечення. Знаючи всі складові знаходиться глибина контакту hc . Далі визначається площа проекції відбитку при максимальному навантаженні на глибині контакту. Твердість визначається відношенням максимального навантаження на індентор до площі проекції відбитку при максимальному навантаженні. Даний спосіб є найбільш близький до способу, що заявляється, тому обраний в якості найближчого аналогу. Недоліком вказаного способу є те, що визначення глибини контакту є надто складним, тому виконується за допомогою комп'ютерної техніки з розробкою спеціального програмного забезпечення. Крім того, беручи до уваги, що жорсткість контакту розраховується графічним методом, а також мають бути враховані багатофакторні параметри, як то прогин силової рами та термічне розширення стрижня індентора, виникає значна похибка у розрахунках. В основу корисної моделі покладено задачу підвищення точності та технологічності способу визначення твердості шляхом розрахунку твердості відновленого відбитку за площею останнього 53640 4 контакту індентора з матеріалом, що досліджується. Поставлена задача досягається тим, що в способі визначення твердості матеріалів, що включає кінетичне індентування матеріалу, визначення глибини контакту та площі проекції відбитку, згідно корисної моделі, визначають глибину останнього контакту індентора з матеріалом та розраховують відновлену твердість за формулою: Fmax віднов , HIT Shост.конт . віднов - відновлена твердість матеріалу, де HIT визначена при кінетичному індентуванні, Н/мм2; Fmax - максимальне навантаження на індентор, Н; - площа втиснутої частини індентора в Sh ост.конт. момент останнього контакту з матеріалом при розвантаженні, мм. Спосіб виконується наступним чином. В поверхню матеріалу втискується індентор певної форми при цьому безперервно фіксується навантаження та відповідна глибина втискання. Після досягання максимального навантаження відбувається витримка цього зусилля протягом деякого часу, після чого відбувається поступове зменшення навантаження до нульової позначки, що супроводжується пружним відновлення відбитку. Під час відновлення зменшуються розміри відбитку, а при досягненні навантаженням нульової відмітки фіксується глибина відновлено відбитку. Визначається глибина втискання індентора в момент останнього контакту (глибина відновленого відбитку), наприклад, за діаграмою кінетичного індентування (Фіг.1). За одержаною величиною визначається площа відновленого відбитку з урахуванням форми індентора. Відновлена твердість підраховується як відношення: Fmax віднов . HIT Shост.конт . віднов - відновлена твердість матеріалу, де HIT визначена при кінетичному індентуванні, Н/мм2; Fmax - максимальне навантаження на інден тор, Н; Shост.конт. - площа втиснутої частини індентора в момент останнього контакту з матеріалом при розвантаженні, мм. Запропонований спосіб дозволяє визначати відновлену твердість матеріалу за точкою останнього контакту індентора з матеріалом при розвантаженні, що значною мірою розширює межі застосування способу відновленої твердості та дозволяє визначати нанотвердість матеріалу за відновленим відбитком. Підвищення достовірності одержаних результатів досягається за рахунок значного спрощення методики розрахунку, а також завдяки відмові від графічного визначення невідомих характеристик. 5 Комп’ютерна верстка А. Рябко 53640 6 Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601