Устройство для определения твердости материалов методом царапания

Авторы патента:

Уткин Владимир Сергеевич (RU)

Редькин Александр Николаевич (RU)

G01N3/46 - когда инденторы осуществляют царапающее движение

Владельцы патента RU 2473881:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Вологодский государственный технический университет" (ВоГТУ) (RU)

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для определения твердости материалов непосредственно в конструкциях. Устройство содержит пружинный привод, приводящий в движение алмазный индентор силой взведенной пружины, с винтом подзаводки и шариковыми подшипниками для крепления ходового винта, опорную пластину с тремя опорами, храповое колесо на пружинном приводе для управления вращением, «ползун» с шариками подшипника для скольжения, ходовой винт с микрорезьбой, собачку храповика с возвратной пружиной, рабочую шпильку, упирающийся концом в упорно-упругую пластину с тензометрами, рабочую гайку с пластиной крепления, индентор в виде конуса с углом в вершине 120°, заднюю стенку привода для крепления рукояти прибора, рукоять, пластину крепления рукояти, головку микрометра, автономный прибор для измерения изменения омического сопротивления тензорезисторов при нагружении. Технический результат - расширение эксплуатационных возможностей устройства для определения твердости материалов непосредственно в элементах конструкции и в деталях машин с криволинейными, ломаными и другими геометрическими поверхностями, расположенными произвольно в пространстве, не вырезая из них заготовок для образцов, при любых температурах, а также уход от дискретности измерения ширины царапины. 6 ил.

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для определения твердости материалов непосредственно в конструкциях.

Известно [1] устройство - склерометр СТ различных модификаций для определения сопротивления материалов царапанию. Основными элементами данного устройства являются: опорный столик с микроскопом, шарнирно закрепленный рычаг с индентором в виде алмазной трехгранной пирамиды на конце, набор дискретных грузов, устанавливаемых непосредственно на рычаге, приводное устройство с электродвигателем типа РД-09 с встроенным редуктором.

Основным недостатком данного устройства является функциональная ограниченность, заключающаяся в измерении твердости материалов только на образцах ограниченных размеров, а также дискретность силы нагружения, малая длина царапины (2 мм), на длине которой число измерений ширины царапины крайне мало (1÷2), необходимость обработки поверхности образцов (∇11), по которой измеряется твердость материалов.

Известно устройство [2] - микротвердомер ПМТ-3 типа ИМАШ для испытания на микротвердость вдавливанием и царапанием, содержащий в качестве царапающего острия (индентора) алмазную пирамиду, опорный столик, механизм нагружения из двух упругих пластин и грузового штока, к которому прикладывается нагрузка, механизм поворота координатного столика вместе с образцом, измеритель ширины царапины.

Основным недостатком его является функциональная ограниченность, заключающаяся в измерении твердости материалов только на образцах ограниченных размеров при комнатной температуре, дискретность силы нагружения, малая длина царапины (до 0,5 мм), что увеличивает погрешность при измерении ширины царапины, поверхность образцов, по которой измеряется твердость материалов, приходится подвергать обработке.

Наиболее близким к заявленному изобретению является устройство [3], содержащее два жестких рычага, упругий элемент, опорный столик, в качестве индентора применяют квадратную алмазную пирамиду с углом между гранями при вершине 136°, фиксаторы, нагружающее устройство в виде винта, измеритель нагрузки в виде индикатора часового типа.

Основным недостатком его является функциональная ограниченность, заключающаяся в измерении твердости материалов только на образцах ограниченных размеров с плоскими поверхностями, дискретность силы нагружения, дискретность измерения ширины царапины.

Целью изобретения является расширение эксплуатационных возможностей устройства для определения твердости материалов методом царапания непосредственно в элементах конструкции и в деталях машин с криволинейными, ломаными и другими геометрическими поверхностями, расположенными произвольно в пространстве, не вырезая из них заготовок для образцов, при любых температурах, также целью является уход от дискретности измерения ширины царапины.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для определения твердости материалов методом царапания, содержащее пружинный привод, приводящий в движение алмазный индентор силой взведенной пружины, с винтом подзаводки и роликовыми подшипники для крепления ходового винта, опорную пластину всего прибора с тремя опорами, храповое колесо на пружинном приводе для управления вращением, «ползун» с шариками подшипника для скольжения, ходовой винт с микрорезьбой, собачку храповика с возвратной пружиной, рабочую шпильку, упирающийся концом в упорно-упругую пластину с тензометрами, рабочую гайку с пластиной крепления, индентор в виде конуса с углом в вершине 120°, задняя стенка привода для крепления рукояти прибора, рукоять, пластину крепления рукояти, головку микрометра, прикладывается (прижимается усилием руки) непосредственно к конструкции, твердость материала которой определяется.

На фиг.1 схематично изображен вид сверху предлагаемого устройства, где 1 - пружинный привод, 2 - опорная пластина с тремя опорами, 3 - "ползун", 4 - винт подзаводки пружины, 5 - рабочий вал привода, 6 - собачка храповика с возвратной пружиной, 7 - ходовой винт с микрорезьбой, 8 - рабочая гайка с опорной пластиной, 9 - упорно-упругая пластина с тензорезисторами R₁ и R₂, 10 - алмазный индентор, 11 - пружина привода, 12 - шарик подшипника, 13 - задняя стенка привода, 14 - рукоять прибора, 15 - пластина крепления рукояти, 17 - храповое колесо.

На фиг.2 схематично изображен разрез 1-1, где 13 - задняя стенка привода.

На фиг.3 схематично изображен разрез 2-2, где 12 - шарик подшипника, 16 - головка микрометра МК 0-25 мм.

На фиг.4 схематично изображен вид А.

На фиг.5 схематично изображен вид А с конструкцией рукояти устройства, где 14 - рукоять прибора, 15 - пластина крепления рукояти.

На фиг.6 схематично изображено устройство пружинного привода в разрезе, где 11 - пружина привода.

Устройство работает следующим образом. Для начала необходимо привести пружину привода 11 в заведенное состояние винтом подзаводки 4, после чего устройство опорной пластиной с тремя опорами усилием руки прижимают к поверхности испытуемой конструкции таким образом, чтобы алмазный индентор 10 оказался в предварительно просверленном на 0.5 мм углублении, индентор 10 помещают на глубину 0.2 мм при помощи головки микрометра 16, при помощи собачки храповика 6 и храпового колеса 17 приводят в движение рабочий вал привода 5 и ходовой винт с микрорезьбой 7, толкая и изгибая упорно-упругую пластину 9, с помощью ЭВМ непрерывно снимают и записывают сигнал с тензорезисторов R₁ и R₂ (измеряется омическое сопротивление до и во время изгиба упруго-упорной пластины). Значение усилия определяют по тарировочному графику (F-ΔR) или по тарировочной таблице. По переменному значению усилия F определяют прочность металла.

Для тарирования измерительного устройства его закрепляют на неподвижной опоре, фиксируя ползун 3, через блок к упорно-упругой пластине 9 подвешивают грузы фиксированной массы. Измеряя омическое сопротивление до изгиба пластины 9 и после изгиба, строят тарировочный график (F-ΔR) или тарировочную таблицу.

Список литературы

1. Тененбаум М.М. Склерометры для изучения сопротивления царапанию и их применение. В кн.: Склерометрия / М.М.Тененбаум. - М.: Наука, 1968. - С.118 - С.134.

2. Беркович Е.С. Новый прибор ИМАШ для склерометрических исследований материалов. В сб.: Склерометрия / Е.С.Беркович. - М.: Наука, 1968. - С.88 - С.94.

3. Патент RU 2308018 С1, МПК G01N 3/46. Устройство для определения твердости материалов методом царапания / Уткин B.C., Плотникова О.С., Русанов В.В.; заявитель и патентообладатель Вологодский государственный технический университет. - №2006102641/28; заявл. 30.01.2006; опубл. 10.10.2007. Бюл. №28.

Устройство для определения твердости материалов методом царапания, содержащее упругий элемент, индентор, косвенный измеритель нагрузки, отличающееся тем, что имеется пружинный привод, приводящий в движение алмазный индентор силой взведенной пружины, с винтом подзаводки и шариковыми подшипниками для крепления ходового винта, опорную пластину всего прибора с тремя опорами, храповое колесо на пружинном приводе для управления вращением, ползун с шариками подшипника для скольжения, ходовой винт с микрорезьбой, собачку храповика с возвратной пружиной, рабочую шпильку, упирающийся концом в упорно-упругую пластину с тензометрами, рабочую гайку с пластиной крепления, индентор в виде конуса с углом в вершине 120°, задняя стенка привода для крепления рукояти прибора, рукоять, пластину крепления рукояти, головку микрометра, автономный прибор для измерения изменения омического сопротивления тензорезисторов при нагружении.

Изобретение относится к области механических испытаний материалов и может быть предназначено для выявления неоднородности распределения механических свойств металла в сварном соединении.

Способ неразрушающего контроля прочности металлов в конструкциях // 2433383

Изобретение относится к области неразрушающего контроля на прочность металлов в конструкциях. .

Устройство для определения твердости материалов методом царапания // 2373515

Изобретение относится к испытательной технике. .

Способ исследования анизотропии материала // 2330260

Изобретение относится к области исследований структурных изменений материалов, в частности полимеров, и может быть использовано для определения структурной анизотропии и анизотропии механических свойств таких полимеров, как полиэтилентерефталат, для послойного изучения напряженно-деформированного состояния изделий из этого полимера, для прогнозирования поведения материала полимера в изделии в зависимости от условий эксплуатации.

Способ оценки энергии активации разрушения материала поверхностного слоя // 2327137

Изобретение относится к механике разрушения материалов. .

Устройство для определения твердости материалов методом царапания // 2308018

Изобретение относится к испытательной технике. .

Устройство для определения работы царапания абразивным инструментом поверхности испытуемого образца // 2305826

Изобретение относится к области измерительных приборов для определения износа, а именно к устройствам для определения характеристик работы царапания. .

Приспособление к твердомерам типа тк для измерения твердости стандартных образцов после торцевой закалки // 2301984

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для исследований прокаливаемости сталей и сплавов методом торцевой закалки. .

Способ определения сопротивления скалыванию гальванопокрытия // 2200310

Изобретение относится к области машиностроения и может использоваться при определении механических свойств деталей с электролитическим гальванопокрытием, преимущественно с твердым хромовым.

Устройство для испытания материалов // 2147737

Изобретение относится к области определения физико-механических характеристик материалов, в частности к микромеханическим испытаниям материалов с покрытиями и инструментальных материалов.

Способ оценки энергии активации пластической деформации поверхностного слоя и переносной склерометр для его осуществления // 2475720

Изобретение относится к области безобразцового контроля фактического состояния материалов при эксплуатации

Определение твердости гальванических покрытий на деталях машиностроения // 2476856

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано во всех отраслях народного хозяйства, где применяются гальванические покрытия деталей

Способ определения прочностных характеристик материала и устройство для его осуществления // 2499246

Изобретение относится к машиностроению. Устройство содержит корпус с электродвигателем и редуктором внутри его; укрепленные на корпусе две параллельные колонны с установленной на них с возможностью перемещения по ним траверсой вместе с механизмами фиксации ее на колоннах и закрепленной на ней инструментом; инструментальной головкой, механизмом установки инструмента, механизмом подвода и отвода инструмента от поверхности образца, измерителем нормальных перемещений инструмента, датчиком нормальной силы, механизм и стол для установки и термостабилизации образца; механизм нормального нагружения инструмента; автоматизированную систему задания программы нагружения и разгружения, считывания, записи и обработки информации результатов испытаний совместно с персональным компьютером. Устройство дополнительно снабжено механизмом тангенциального перемещения образца; механизмом поворота образца в вертикальной плоскости; механизмом тонкого перемещения образца в вертикальной плоскости; механизмом ускоренного перемещения и фиксации инструмента; датчиком измерения тангенциальной силы; механизмом вертикального перемещения траверсы. Сущность: используют программу выбора вида исследования и его проведения из возможных нескольких автоматически реализуемых на одном и том же устройстве, как профилографирование-профилометрирование шероховатости образца; оценку микротвердости поверхности образца; оценку энергии активации пластической деформации; трибометрирование; прогнозирование остаточного ресурса; профилографирование-профилометрирование волнистости поверхности образца и осуществляют с помощью устройства выбранное исследование. Технический результат: расширение технических возможностей, упрощение и ускорение операций. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 19 ил.

Способ сравнительной оценки свойств материалов по отношению общей длины следа маятникового скрайбирования к длине лунки отскока // 2539116

Изобретение относится к методам оценки физико-механических свойств материала путем индентирования за счет приложения одиночного ударного усилия и может быть использовано для сравнительной оценки упругих и пластических (далее - упругих) свойств нескольких разных материалов, в том числе с близким модулем упругости. Сущность: осуществляют однократное нагружение материала индентированием методом маятникового скрайбирования, измеряют результаты скрайбирования, устанавливают взаимосвязь измеренных результатов с исследуемыми физико-механическими свойствами материалов и прогнозируют эксплуатационные свойства сравниваемых материалов. Реализуют режим маятникового скрайбирования, при котором индентор в начале взаимодействия с образцом формирует на его поверхности лунку отскока. Измеряют общую длину следа скрайбирования и длину лунки. Определяют отношение общей длины следа к длине лунки и по величине отношения судят о физико-механических и эксплуатационных свойствах материала. Технический результат: упрощение способа оценки физико-механических свойств материала при маятниковом индентировании, а также прогнозирование эффективности применения сравниваемых материалов в идентичных условиях эксплуатации за счет обеспечения возможности их ранжирования по величине измеряемого при контроле параметра. 2 ил., 2 табл.

Способ сравнительной оценки свойств материалов по длине между лункой и основной частью следа индентора при маятниковом скрайбировании // 2539725

Изобретение относится к методам оценки физико-механических свойств материала путем индентирования за счет приложения одиночного ударного усилия и может быть использовано для сравнительной оценки упругих и пластических (далее - упругих) свойств нескольких разных материалов, в том числе с близким модулем упругости. Сущность: осуществляют однократное нагружение материала индентированием методом маятникового скрайбирования. Измеряют результаты скрайбирования. Устанавливают взаимосвязь измеренных результатов с исследуемыми физико-механическими свойствами материалов и прогнозируют эксплуатационные свойства сравниваемых материалов. Реализуют режим маятникового скрайбирования, при котором индентор в начале взаимодействия с образцом формирует на его поверхности лунку отскока. Измеряют в следе, оставляемом индентором, расстояние между лункой и основной частью следа индентирования и по нему судят о физико-механических и эксплуатационных свойствах сравниваемых материалов. Технический результат: упрощение способа оценки физико-механических свойств материала при маятниковом индентировании; прогнозирование эффективности применения сравниваемых материалов в идентичных условиях эксплуатации за счет обеспечения возможности их ранжирования по величине измеряемых при контроле параметров следа индентирования. 3 табл., 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

Способ сравнительной оценки свойств материалов по параметрам лунки отскока в следе индентора при маятниковом скрайбировании // 2543682

Изобретение относится к способам оценки физико-механических свойств материала путем индентирования за счет приложения одиночного ударного усилия и может быть использовано для сравнительной оценки упругих и пластических (далее - упругих) свойств нескольких разных материалов, в том числе с близким модулем упругости. Сущность: осуществляют однократное нагружение материала индентированием методом маятникового скрайбирования, измеряют результаты скрайбирования, устанавливают взаимосвязь измеренных результатов с исследуемыми физико-механическими свойствами материалов и прогнозируют эксплуатационные свойства сравниваемых материалов. Реализуют режим маятникового скрайбирования, при котором индентор в начале взаимодействия с образцом формирует на его поверхности лунку отскока. Измеряют параметры лунки и по ним судят о физико-механических и эксплуатационных свойствах сравниваемых материалов. Технический результат: упрощение способа оценки физико - механических свойств материала при маятниковом индентировании, а также прогнозирование эффективности применения сравниваемых материалов в идентичных условиях эксплуатации за счет обеспечения возможности их ранжирования по величине измеряемого при контроле параметра. 5 ил., 2 табл.

Способ сравнительной оценки свойств материалов по отношению длины лунки отскока к ее ширине в следе индентора при маятниковом скрайбировании // 2543683

Изобретение относится к способам оценки физико-механических свойств материала путем индентирования за счет приложения одиночного ударного усилия и может быть использовано для сравнительной оценки упругих и пластических (далее - упругих) свойств нескольких разных материалов, в том числе с близким модулем упругости. Сущность: осуществляют однократное нагружение материала индентированием методом маятникового скрайбирования, измеряют результаты скрайбирования, устанавливают взаимосвязь измеренных результатов с исследуемыми физико-механическими свойствами материалов и прогнозируют эксплуатационные свойства сравниваемых материалов. Реализуют режим маятникового скрайбирования, при котором индентор в начале взаимодействия с образцом формирует на его поверхности лунку отскока. Измеряют длину и ширину лунки, определяют отношение длины к ширине и по величине отношения судят о физико-механических и эксплуатационных свойствах материалов. Технический результат: упрощение способа оценки физико-механических свойств материала при маятниковом индентировании, а также прогнозирование эффективности применения сравниваемых материалов в идентичных условиях эксплуатации за счет обеспечения возможности их ранжирования по величине измеряемого при контроле параметра. 5 ил.

Способ сравнительной оценки свойств материалов по отношению длины следа маятникового скрайбирования к его ширине // 2548057

Изобретение относится к способам оценки физико-механических свойств материала путем индентирования за счет приложения одиночного ударного усилия и может быть использовано для сравнительной оценки свойств нескольких разных сравниваемых материалов. Решение является способом для обеспечения возможности ранжирования (выстраивания в ряд) нескольких сравниваемых материалов по способности сопротивляться деформированию и разрушению при индентировании методом маятникового скрайбирования. Сущность: осуществляют индентирование методом маятникового скрайбирования, измерение результатов скрайбирования по параметрам деформации и разрушения поверхностных слоев исследуемого материала, установление взаимосвязи измеренных результатов с исследуемыми физико-механическими свойствами материалов, прогнозирование эксплуатационных свойств сравниваемых материалов по измеренным результатам скрайбирования. В следе, оставляемом индентором, измеряют длину и максимальную ширину следа скрайбирования, определяют величину отношения длины к максимальной ширине и по величине этого отношения судят о физико-механических и эксплуатационных свойствах сравниваемых материалов. Технический результат: упрощение способа оценки физико-механических свойств материала при маятниковом индентировании; а также прогнозирование эффективности применения сравниваемых материалов в идентичных условиях эксплуатации. 1 табл., 3 ил.

Способ определения профиля прочности материалов и устройство для его осуществления // 2548929

Изобретение относится к области исследования механических свойств материалов. Сущность: осуществляют нагрев поверхности образца и наносят резцом царапину на нагретую поверхность образца. В процессе царапания измеряют горизонтальную и вертикальную составляющие силы сопротивления разрушению нагретого образца резцом. При этом в процессе нагрева осуществляют измерения температуры образца в зоне нагрева и контакта резца с поверхностью образца и при необходимости регулируют температуру нагрева. Устройство для определения профиля прочности материалов содержит платформу для размещения по меньшей мере одного образца и измерительный блок, содержащий резец для нанесения царапины на поверхность образца, источник тепла для нагрева образца и средство для измерения температуры образца в зоне нагрева и контакта резца с поверхностью образца. Платформа для размещения образцов и измерительный блок выполнены с возможностью перемещения относительно друг друга. Технический результат: повышение точности и эффективности определения механических свойств материалов за счет обеспечения возможности определения профиля прочности материала методом царапания при повышенных температурах исследуемого материала. 2 н. и 35 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

Способ сравнительной оценки свойств материалов по площади поперечного сечения следа маятникового скрайбирования // 2554293

Изобретение относится к способам обеспечения возможности ранжирования (выстраивания в ряд) нескольких сравниваемых материалов по способности сопротивляться деформированию и разрушению при индентировании, а именно при индентировании методом маятникового скрайбирования. Сущность: осуществляют индентирование методом маятникового скрайбирования, измерение результатов скрайбирования по параметрам деформации и разрушения исследуемого материала, установление взаимосвязи измеренных результатов с исследуемыми физико-механическими свойствами материалов, прогнозирование эксплуатационных свойств сравниваемых материалов по измеренным результатам скрайбирования. Определяют площадь S поперечного сечения следа скрайбирования как сумму составляющих площадей, а именно S1+S2+S3+S4, где S1 -основная площадь материала образца, вытесненного индентором, S2 и S3 - поперечные площади валков, образовавшихся по контуру следа скрайбирования, S4 - площадь выкрашиваний материала образца за пределами учтенных площадей S2 и S3 валков, и по величине площади S судят о физико-механических и эксплуатационных свойствах сравниваемых материалов, в том числе ранжируют их ряд по изменению свойств. Технический результат: упрощение способа и расширение его технологических возможностей. 1 табл., 4 ил.