Універсальний твердомір

Універсальний твердомір, що містить на нижній частині станини механізм підйому опорного столу, а на верхній - шпиндель зі змінним зафіксо 3 никнення індентора в поверхню випробуваного матеріалу. Показники, одержані на пристрої, не враховують пружну складову деформації при випробуванні; - наслідком того, що в механізмі навантаження передбачено тільки вимірювання при фіксованих за величиною вантажах, можна одержати лише обмежені дані про властивості матеріалу; - пристрій не дає прямої інформації в цифровому вигляді про глибину проникнення індентора в поверхню досліджуваного матеріалу. В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалення метрологічних властивостей твердоміру Роквелла шляхом забезпечення безперервного індентування досліджуваного зразка при поступовому збільшенні навантаження від 0 до максимальної величини з фіксацією цифрових величин навантаження і глибини проникнення індентора в поверхню матеріалу, що дозволить одержати достовірні вихідні дані для визначення поверхневої Нпов. [2], (яку раніше визначали як універсальну Ну [3, 5]) і об'ємної Ноб [2], (яку раніше визначали як істинну Ні [4-7, 8], твердості матеріалу за відповідними формулами в залежності від геометрії індентора [5-8] з наступною побудовою кривих залежності твердості і глибини проникнення індентора в поверхню матеріалу від величини навантаження. Поверхнева твердість Нпов визначається як відношення навантаження на індентор F в Н до площі поверхні відбитку під навантаженням А в мм2 F Hпов H мм2 , A Об'ємна твердість Ноб визначається як відношення навантаження на індентор F в Н до об'єму проникної частини індентора під навантаженням V в мм3 F Hпов H мм2 V При цьому А і V підраховують, виходячи з геометрії індентора і глибини його проникнення в поверхню матеріалу h (мм). Поставлена задача вирішується за рахунок того, що відомий твердомір, що містить на нижній частині станини механізм підйому опорного столу, а на верхній шпиндель зі змінним зафіксованим на ньому індентором, у відповідності до корисної моделі додатково містить механізм фіксації величини навантаження на індентор, що включає тензодатчик, механічно жорстко зв'язаний зі шпинделем, а електрично - з аналоговим цифровим перетворювачем (АЦП), та індикатор глибини переміщення індентора в поверхню зразка, розташованого на столі механізму підйому, який функціонально суміщений з механізмом безперервного навантаження під час одномоментного контакту зразка з індентором і ніжкою індикатора глибини проникнення індентора. Одночасна реєстрація величин навантаження і глибини проникнення індентора здійснюється, наприклад, відеокамерою, встановленою з можливістю фіксації показників на АЦП і індикаторі. При випробуванні можуть бути використані індентори з 46562 4 різних матеріалів та різної форми (кульки різного діаметру, конус, піраміди Віккерса і Берковича). Показники твердості при різних навантаженнях одержують за формулами, в яких враховано геометрію індентора [5-8]. На Фіг. представлена схема приладу. На нижній частині станини 1, з'єднаній з верхнею частиною 2 стійкою 3, розміщено механізм підйому, який складається з підйомного гвинта 4, маховика 5, втулки 6 і опорного столу 7. В верхній частині станини містяться вузол шпинделя 8, на якому закріплено індентор 9; тензодатчик 10 з аналоговим цифровим перетворювачем 12 і індикатор 13, ніжка якого 14 розташована у отворі тензодатчика і має можливість торкатися поверхні зразка 11. На відстані, що гарантує видимість обох шкал (АЦП та індикатора проникнення індентора), встановлено, наприклад, відеокамеру 15. Універсальний твердомір працює у такий спосіб. Зразок або виріб 11 встановлюють на опорний стіл 7. Включають АЦП 12 і відеокамеру 15. Підводять зразок до індентора і ніжки індикатора. Навантаження на індентор здійснюють піджимом зразка до індентора за допомогою механізму підйому. При цьому відбувається плавне навантаження від 0 до максимальної величини обертанням маховика. Величина навантаження F в Н фіксується аналоговим цифровим перетворювачем (АЦП) 12, а глибина проникнення індентора h в мм індикатором 13. В момент початку відліку навантаження F на АЦП 12 значення h на шкалі індикатора приймають за 0. Відеокамера 15 зчитує показання АЦП і індикатора і фіксує їх безперервно. Після досягнення Fmax обертанням маховика 5 відводять опорний стіл 7 із зразком від індентора і знімають зразок. Поверхневу твердість Нпов визначають за формулами (1-8) [5-7]. Для кульок різного діаметру (1,588; 2,5; 5; 10мм) Hку л.1,588 пов Hку л. 2,5 пов Hку л. 5 пов F H мм 2 (1) 4,99 h F H мм 2 , (2) 7,854 h F H мм 2 , (3) 15,708 h F H мм 2 , (4) 31,4159 h Для алмазного конуса з кутом при вершині 120° і радіусом сферичної частини 0,2мм: F Hкон.120 H мм 2 , якщо h≤0,027мм, (5) пов 1 257 h , Hку л.10 пов Hкон.120 пов F 2 H мм2 10,88 h 0,66824 h 0,00796 , якщо h>0,027 мм. (6) Для піраміди Віккерса з кутом між протилежними гранями 136°: F HПВ136 H мм2 , (7) пов 26,428 h2 Для піраміди Берковича: 5 46562 F H мм 2 , (8) 26,4342 h2 Об'ємну твердість Ноб визначають за формулами (9-16) [7-8]. Для кульок різного діаметра (1,588; 25; 5; 10мм): F Hкул.1,588 H мм3 , (9) об 2 104719 h 2,382 h , F Hкул. 2,5 H мм3 , (10) об 104719 h2 3,75 h , HПБ65,03 пов Hкул. 5 об F 104719 h2 7,5 h , H мм3 , (11) F Hкул.10 об H мм3 , (12) 104719 h2 15 h , Для алмазного конуса з кутом при вершині 120° і радіусом сферичної частини 0,2мм: F якщо Hкон.120 H мм3 , об 10472 h2 0,6 h , h≤0,027мм, (13) Hкон.120 об F 3,1414 h3 0,2895 h2 0,0089 h 0,000069 H мм3 , (14) якщо h>0,027мм. Для піраміди Віккерса з кутом між протилежними гранями 136°: F HПВ136 H мм3 , (15) об 8,168 h3 Для піраміди Берковича: F HПБ65,03 H мм3 , (16) об 10,3107 h3 У вищенаведених формулах F - навантаження на індентор в Н; h - глибина проникнення індентора в мм. Підраховують Нпов та Ноб при різних навантаженнях і будують графіки залежності твердості і глибини проникнення індентора h від величини навантаження F. Визначені відрізняльні ознаки приладу, що заявляється, знаходяться у причинно-наслідковому зв'язку з технічним результатом, який може бути досягнуто при реалізації приладу. Забезпечення безперервного плавного навантаження на зразок від 0 до максимального значення і безперервна фіксація даних дозволили усунути ряд недоліків прототипу та одержати декілька позитивних результатів, а саме: - одержані дані мають розмірність і цифровий вираз, їх можливо зіставляти з числами твердості, одержаних на інших твердомірах; - можливість одержання дійсних і достовірних значень вимірювання глибини проникнення індентора в поверхню матеріалу, що значно розширює метрологічні можливості приладу, такі як: - можливість застосовувати індентори різних геометричних форм, що поряд з іншими перевагами надає пристрою універсальний характер. - можливість одержати показники таких сучасних видів твердості, як поверхнева і об'ємна; 6 - визначення твердості за відновленим відбитком, що дозволяє врахувати як пластичну, так і пружну складову деформації при вдавлюванні, чим значно розширюється номенклатурний перелік досліджуваних матеріалів; - можливість застосувати метод кінетичної твердості, обов'язковою умовою якого є безперервна реєстрація процесу безперервного вдавлювання індентора в координатах "навантаження на індентор F - глибина h його проникнення в поверхню матеріалу", внаслідок чого стало можливим збудувати кінетичну криву вдавлювання індентора та одержати на її основі стандартну криву одновісного розтягу з наступним визначенням механічних властивостей матеріалу; Авторами вивчений достатній об'єм як технічної, так і патентної літератури, але пристрою для вимірювання твердості матеріалів з такими ознаками, як в заявляємому, не виявлено. Пристрій є технічно завершеним і його промислове застосування очевидно. Просимо надати рішенню, що заявляється, юридичну охорону у вигляді патенту України на корисну модель. Джерела інформації 1. Золоторевский B.C. Механические свойства металлов. Учебник для вузов. 2-е изд. - М.: Металлургия, 1983 - 352с. 2. Мощенок В.И. Современные методы определения нано-, микро-, макротвердости материалов. // Инженерия поверхности и реновация изделий: Материалы 9-й Международной научнотехнической конференции, 25-29 мая 2009г., г. Ялта. - К.: ATM Украина, 2009 - С.139-140. 3. ISO 14577-1: Metallic materials - Instrumented indentation test for hardness and Materials parameters - Part 1: Test method, 2002 (E). 4. Мощенок В.І. Тарабанова В.П., Глушкова Д.Б. Спосіб оцінки твердості матеріалу. Патент України №74564, заяв. 30.12.2003. Опубл. 16.01.2006. Бюл. №1. 5. Мощенок В.И. Определение универсальной твердости конструкционных материалов инденторами различной формы. // Вестник ХНАДУ - Харьков: ХНАДУ, - 2007. - вып.38, - С.127-129. 6. Мощенок В.И., Дощечкина И.В., Бондаренко СИ., Ляпин А.А., Татаркина И.С. Зависимость размерного эффекта при определении универсальной твердости от геометрии индентора // Вестник ХНАДУ. - Харьков: ХНАДУ. - 2008. вып. 42. - С.5557. 7. Мощенок В.И., Лалазарова Н.А. Определение универсальной и истиной нанотвердости материалов // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: Сб. Научных трудов. - Харьков: Национальный аэрокосмический институт им. Жуковского "ХАИ". 2008. Вып. 2(53) - С.87-92. 8. Мощенок В.И. История, современные достижения и перспективы развития твердометрии // Вестник ХНАДУ. - Харьков: ХНАДУ. - 2008. вып.42. - С.42-48. 7 Комп’ютерна верстка А. Крулевський 46562 8 Підписне Тираж 28 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