Способ определения модуля упругости однородного покрытия

Авторы патента:

Кренев Леонид Иванович (RU)

Айзикович Сергей Михайлович (RU)

Варавка Валерий Николаевич (RU)

Васильев Андрей Сергеевич (RU)

Митрин Борис Игоревич (RU)

G01N3/40 - исследование твердости или упругой твердости

Владельцы патента RU 2532758:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Донской государственный технический университет" (RU)

Изобретение относится к определению механических характеристик однородных покрытий, а именно к определению модуля упругости покрытий посредством вдавливания в поверхность материала цилиндрического индентора, и может быть использовано для определения модуля упругости покрытий на подложках из различных материалов. Сущность: вдавливают в покрытие с известной толщиной цилиндрический индентор. Определяют в соответствии с показаниями прибора, регистрирующего связь между вдавливающей силой и осадкой индентора, модуль жесткости системы покрытие-подложка, далее рассчитывают значение отношения модуля жесткости системы к модулю упругости подложки и с помощью известных способов нахождения значения функции по заданной неявной зависимости определяют модуль упругости покрытия из формулы. Технический результат: повышение точности определения модуля упругости покрытия. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Известен способ определения модуля упругости посредством вдавливания в поверхность изделия сферического индентора - жесткого шарика с усилием Р и измерением его осадки. Модуль упругости E для одной из разновидностей резин определяют по формуле: Е=0,80·P·D^1/2·h^-3\2, где P - усилие, D - диаметр шарика, h - глубина погружения шарика, Е - модуль Юнга (Израелит Г.Ш. Механические испытания резины и каучука, 1949 г., с.219).

Наиболее близким по выполнению является способ определения модуля упругости, при котором в поверхность изделия вдавливают цилиндрический индентор с постоянной скоростью и определяют начальный наклон диаграммы усилие-перемещение, а по нему - модуль упругости материала (Израелит Г.Ш. Механические испытания резины и каучука, 1949 г., с.219).

Недостатком данного способа является то, что полученная величина модуля упругости отражает некую усредненную упругость по всей толщине материала.

Техническим результатом является повышение точности определения модуля упругости покрытия.

Технический результат достигается тем, что вдавливают в покрытие с известной толщиной цилиндрический индентор, определяют в соответствии с показаниями прибора, регистрирующего связь между вдавливающей силой и осадкой индентора, модуль жесткости системы покрытие-подложка (E_cs), далее рассчитывают значение отношения модуля жесткости системы к модулю упругости подложки (E_cs/E_s) и с помощью известных способов нахождения значения функции по заданной неявной зависимости определяют E_c из формулы (1)

$\frac{E_{C S}}{E_{S}} = \frac{1}{(1 - ν_{S}^{2})} (1 + \frac{E_{C}}{E_{S}} \sum_{i = 1}^{N} C_{i} A_{i}^{- 1} λ s h A_{i} λ^{- 1}), (1)$

где E_cs - модуль жесткости системы покрытие-подложка, E_c - модуль упругости покрытия, E_s - модуль упругости подложки, ν_s - коэффициент Пуассона подложки, sh - гиперболический синус, λ=H/a, a - радиус индентора, H - толщина покрытия, C_i, A_i - комплексные константы, определяемые в ходе решения контактной задачи о внедрении штампа в упругое полупространство с покрытием.

Константы C_i, A_i могут быть рассчитаны с помощью алгоритма, описанного в работе Айзикович С.М., Александров В.М. «Осесимметричная задача о вдавливании круглого штампа в упругое, неоднородное по глубине полупространство» (Изв. АН СССР. МТТ. 1984, N2, С.73-82) и реализованного, например, в программах для ЭВМ, по свидетельствам РФ о государственной регистрации программ для ЭВМ №2012614268 от 14.05.2012 г., №2012614938 от 01.06.2012 г., №2012614939 от 01.06.2012 г.

E_c из неявной зависимости (1) можно определить или с помощью таблицы значений E_cs/E_s, или графическим способом, или с использованием программ для ЭВМ. Например, строят таблицу значений E_cs/E_s для различных значений λ и E_c/E_s. В строке для вычисленного λ=H/a находят ближайшее к вычисленному E_cs/E_s значение, определяют соответствующее значение E_c/E_s и по известному E_s находится искомое E_c. Характер зависимости, задаваемой формулой (1), иллюстрирует фиг.1.

Предпочтительное отношение радиуса индентора к толщине покрытия находится в пределах 0,1-8.

Отличием предлагаемого способа является то, что модуль упругости покрытия определяют из полученного значения модуля жесткости для системы покрытие-подложка и известного заранее модуля упругости подложки.

Ниже приведен пример осуществления изобретения.

Пример.

Для исследований взят алмазоподобный углерод (DLC, diamond-like carbon) с заранее определенным экспериментально модулем упругости E_c=259 ГПа. На плавленый кварц с модулем упругости E_s=69.6 ГПа нанесено покрытие из взятого алмазоподобного углерода толщиной H=250 нм. По результатам индентирования слоя DLC с использованием цилиндрического индентора с радиусом зоны контакта a, равным 100 нм, получено значение величины E_cs=155 ГПа.

Для использования формулы (1) определяют $λ = \frac{H}{a} = \frac{250}{100} = 2,5$ , $\frac{E_{C S}}{E_{S}} = \frac{155}{69,6} = 2,227$ . С помощью программ для ЭВМ (свидетельства РФ о гос. регистрации программ для ЭВМ №2012614268 от 14.05.2012 г., №2012614938 от 01.06.2012 г., №2012614939 от 01.06.2012 г.), использующих алгоритм определения коэффициентов C_i, A_i, описанный в работе Айзикович С.М., Александров В.М. «Осесимметричная задача о вдавливании круглого штампа в упругое, неоднородное по глубине полупространство» (Изв. АН СССР. МТТ. 1984, N2, С.73-82), определяют значения коэффициентов C_i, A_i. Затем строят таблицу значений $\frac{E_{C S}}{E_{S}}$ и из таблицы получают значение E_c=251,8.

Таким образом, способ позволяет определить упругость покрытия с погрешностью $Δ = | \frac{259 - 251,8}{259} | = 2,7 %$ .

1. Способ определения модуля упругости однородного покрытия, характеризующийся тем, что вдавливают в покрытие с известной толщиной цилиндрический индентор, определяют в соответствии с показаниями прибора, регистрирующего связь между вдавливающей силой и осадкой индентора, модуль жесткости системы покрытие-подложка (E_cs), далее рассчитывают значение отношения модуля жесткости системы к модулю упругости подложки (E_cs/E_s) и с помощью известных способов нахождения значения функции по заданной неявной зависимости определяют Е_c из формулы
$E_{c s} = \frac{E_{s}}{1 - v_{s}^{2}} (1 + \frac{E_{c}}{E_{s}} \sum_{i = 1}^{N} C_{i} A_{i}^{- 1} λ s h A_{i} λ^{- 1}),$
где E_cs - модуль жесткости системы покрытие-подложка, E_c - модуль упругости покрытия, E_s - модуль упругости подложки, ν_s - коэффициент Пуассона подложки, sh - гиперболический синус, $λ = \frac{H}{a}$ , а - радиус индентора, H - толщина покрытия, C_i, A_i - комплексные константы, определяемые в ходе решения контактной задачи о внедрении штампа в упругое полупространство с покрытием.

2. Способ по п.1, характеризующийся тем, что отношение радиуса индентора к толщине покрытия находится в пределах 0,1-8.

Изобретение относится к технике контроля и исследования материалов и изделий и может быть использовано для определения параметров рельефа поверхности (линейные размеры, шероховатость), механических (твердость, модуль упругости) и трибологических (коэффициент трения, износостойкость, время жизни покрытий) характеристик материалов с субмикронным и нанометровым пространственным разрешением.

Способ определения модуля упругости юнга материала микро- и наночастиц // 2494038

Способ определения микротвердости // 2465569

Изобретение относится к технике испытания твердых материалов на микротвердость. .

Устройство для измерения сопротивления сверлению // 2448811

Изобретение относится к устройствам для исследования или анализа материалов путем определения их твердости и может быть использовано для определения физико-механических характеристик растущих деревьев, пиломатериалов, деревянных строительных конструкций и т.п.

Устройство для измерения параметров рельефа поверхности и механических свойств материалов // 2442131

Изобретение относится к технике контроля и исследования материалов и изделий и может быть использовано для определения параметров рельефа поверхности и механических характеристик материалов с субмикронным и нанометровым пространственным разрешением.

Способ определения твердости материалов // 2435154

Устройство для измерения твердости почвы // 2433399

Изобретение относится к области сельского хозяйства и может быть использовано для оценки твердости почвы. .

Погружной измеритель крепости горных пород // 2433266

Изобретение относится к горному делу, в частности к устройствам для определения механических свойств горных пород. .

Способ определения механических свойств монолитных образцов // 2431129

Изобретение относится к способам определения показателей механических свойств монолитных образцов, в том числе образцов горных пород, и может быть использовано при определении сцепления образцов как из искусственных, так и природных материалов.

Устройство для измерения физико-механических свойств материалов // 2425356

Изобретение относится к технике контроля материалов и изделий и может быть использовано для измерения параметров рельефа поверхности и механических характеристик материалов с субмикронным и нанометровым пространственным разрешением.

Способ определения пригодности стали для холодной пластической деформации // 2568887

Изобретение относится к области физики и может быть использовано для исследования и/или анализа материалов путем определения их физических или химических свойств. Определение осуществляют по механическим и структурным характеристикам. При этом дополнительно определяют величину микротвердости перлита и при микротвердости менее 240 HV и не превышающей 50 HV разности значений по микротвердости между перлитом и ферритом принимают решение о пригодности стали для обработки путем холодной пластической деформации. Достигается повышение информативности и надежности определения. 4 ил.

Способ определения твердости металла на действующем трубопроводе ударнодинамическим прибором // 2604965

Изобретение относится к исследованию материалов путем определения их химических или физических свойств, в частности к исследованию прочностных свойств твердых материалов путем приложения к ним механических усилий, а именно путем измерения высоты отскакивания ударного тела. Сущность: при нанесении удара по боковой поверхности трубопровода результат измерения увеличивают на величину поправки, которую определяют путем произведения относительной разности величин информативных параметров, измеренных на отрезке образцовой трубы такого же типоразмера при нанесении ударов в торец отрезка и по его боковой поверхности, на фактическую твердость трубопровода, измеренную на его боковой поверхности, деленного на информативный параметр твердости от удара в торец отрезка, с соблюдением условия одного направления продольной оси прибора, для всех случаев использования прибора на действующем трубопроводе и на отрезке образцовой трубы. Измерения пересчитывают в значения статической твердости по Бринеллю, в соответствии с таблицами из комплекта прибора. Технический результат: повышение точности измерения твердости. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Устройство для измерения сопротивления исследуемого материала сверлению // 2607064

Изобретение относится к устройствам для исследования и анализа свойств материалов путем определения величины сопротивления их просверливанию и может быть использовано для определения физико-механических характеристик древесины растущих деревьев, пиломатериалов, деревянных строительных конструкций различного назначения. Устройство содержит буровое сверло с электродвигателем его вращения, размещенные на каретке, установленной на направляющих с возможностью возвратно-поступательного движения, переднюю стенку, ограничители смещения бурового сверла в радиальном направлении и датчик частоты вращения выходного вала электропривода подачи каретки, связанный с программно-аппаратным комплексом. Кроме того, устройство снабжено датчиком тока электродвигателя вращения бурового сверла и штоками, при этом ограничители перемещения бурового сверла в радиальном направлении выполнены в виде пластин, размещенных между упомянутыми кареткой и передней стенкой с возможностью перемещения по направляющим, каждая из упомянутых пластин жестко соединена с концами по меньшей мере двух штоков, противоположные концы которых соединены с упомянутой кареткой с помощью ограничителя, а датчик тока электродвигателя вращения бурового сверла связан с упомянутым программно-аппаратным комплексом. Использование изобретения позволяет повысить точность измерений, а также снизить вес и габариты конструкции устройства. 2 ил.

Способ получения износостойкого нанокомпозитного покрытия с заданным значением микротвердости на поверхности полированной ситалловой пластины // 2608157

Изобретение относится к материаловедению и может быть использовано в различных областях современной электроники, альтернативной энергетике и машиностроении. Способ получения износостойкого нанокомпозитного покрытия с заданным значением микротвердости на поверхности полированной ситалловой пластины ионно-лучевым распылением включает обеспечение в получаемом покрытии необходимого процентного соотношения металлической и керамической фаз при определенном химическом составе упомянутых фаз, при этом определяют значения микротвердости для металлического и керамического покрытий различного химического состава без примесей керамической или металлической фазы соответственно, затем получают покрытие с заданным химическим составом и заданным процентным соотношением указанных фаз с определенным шагом и с изменением процентного соотношения фаз металл-керамика в покрытии от нуля до максимума, после чего определяют значения микротвердости полученного покрытия при заданном соотношении указанных фаз. На основании полученных данных создают искусственную нейронную сеть, проводят ее обучение. Затем проводят тестирование полученной нейросетевой модели путем последовательного исключения из статистической выборки, которая использовалась для ее обучения, факторов нейросетевой модели в виде экспериментально измеренных величин, включающих микротвердость металлического покрытия (Нм), микротвердость керамического покрытия (Нк) и концентрацию металлической фазы в композите (Ск) с последующим определением при помощи полученной нейросетовой модели ее выходного параметра в виде значения микротвердости нанокомпозитного покрытия (Н) и сравнением полученного теоретического значения с исходными экспериментальными данными. Затем вводят в упомянутую искусственную нейронную сеть значения микротвердости для металлической и керамической фаз без примесей и процентное соотношение упомянутых фаз в получаемом покрытии и при помощи искусственной нейронной сети определяют значение микротвердости получаемого нанокомпозитного покрытия металл-керамика при введенном соотношении металлической и керамической фаз. В частных случаях осуществления изобретения после сравнения полученного теоретического значения микротвердости нанокомпозитного покрытия (Н) с исходными экспериментальными данными проводят корректировку полученной нейросетевой модели. Обеспечивается повышенная износостойкость с одновременным снижением себестоимости покрытия и высокая стабильность определяемых параметров, используемых для нанесения покрытия. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Способ получения нанокомпозитных покрытий металл-керамика с требуемым значением микротвердости // 2608158

Изобретение относится к материаловедению и может быть использовано в различных областях современной электроники, альтернативной энергетике и машиностроении. Способ получения нанокомпозитных покрытий металл-керамика с требуемым значением микротвердости включает обеспечение в получаемом покрытии необходимого процентного соотношения металлической и керамической фаз при определенном химическом составе упомянутых фаз, при этом определяют значение микротвердости для металлического и керамического покрытий различного химического состава без примесей керамической или металлической фазы соответственно, затем получают покрытие с заданным химическим составом и заданным процентным соотношением указанных фаз с определенным шагом с изменением при этом процентного соотношения фаз металл-керамика в покрытии от нуля до максимума. Затем определяют полученные значения микротвердости покрытия при заданном соотношении указанных фаз. На основании полученных данных создают искусственную нейронную сеть, проводят ее обучение, после чего вводят в упомянутую искусственную нейронную сеть данные о химическом составе металлической и керамической фаз, процентном соотношении указанных фаз в получаемом покрытии, и при помощи искусственной нейронной сети определяют значения микротвердости получаемого нанокомпозитного покрытия металл-керамика при введенном соотношении металлической и керамической фаз. В частных случаях осуществления изобретения значение микротвердости для нанокомпозитного покрытия определяют путем пересчета микротвердости для массивного образца посредством введения переводного коэффициента. Обеспечивается повышенная износостойкость с одновременным снижением себестоимости покрытия и высокая стабильность определяемых параметров, используемых для нанесения покрытия. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Способ определения микротвердости нанокомпозитного покрытия с повышенной износостойкостью по соотношению в нем металлической и керамической фаз // 2608159

Изобретение относится к материаловедению и может быть использовано в различных областях современной электроники, альтернативной энергетике и машиностроении. Способ определения микротвердости нанокомпозитного покрытия с повышенной износостойкостью по соотношению в нем металлической и керамической фаз характеризуется тем, что определяют значения микротвердости для металлического и керамического покрытий различного химического состава без примесей керамической или металлической фазы соответственно, затем получают покрытие с заданным химическим составом и заданным процентным соотношением указанных фаз с определенным шагом с изменением при этом процентного соотношения фаз металл-керамика в покрытии от нуля до максимума. Затем определяют значения микротвердости полученного покрытия при заданном соотношении указанных фаз. На основании полученных данных создают искусственную нейронную сеть, проводят ее обучение, после чего проводят тестирование полученной нейросетевой модели путем последовательного исключения из статистической выборки, которая использовалась для ее обучения, факторов нейросетевой модели в виде экспериментально измеренных величин, включающих микротвердость металлического покрытия (Нм), микротвердость керамического покрытия (Нк) и концентрацию металлической фазы в композите (См), с последующим определением при помощи полученной нейросетовой модели ее выходного параметра в виде значения микротвердости нанокомпозитного покрытия (Н), и сравнения полученного теоретического значения с исходными экспериментальными данными. Затем вводят в упомянутую искусственную нейронную сеть данные о химическом составе металлической и керамической фаз, их процентном соотношении в получаемом покрытии и, при помощи искусственной нейронной сети, определяют значения микротвердости получаемого нанокомпозитного покрытия металл-керамика по соотношению металлической и керамической фаз. В частных случаях осуществления изобретения после сравнения полученного теоретического значения микротвердости нанокомпозитного покрытия (Н) с исходными экспериментальными данными проводят корректировку полученной нейросетевой модели. Обеспечивается повышенная износостойкость с одновременным снижением себестоимости покрытия и высокая стабильность определяемых параметров, используемых для нанесения покрытия. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Устройство для горизонтального непрерывного измерения твердости почвы // 2608345

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в сельском хозяйстве для исследования физико-механических свойств почвы, в частности твердости почвы. Устройство содержит корпус, закрепленный на стойке, плунжер, который одним торцом жестко скреплен с наконечником, а другим торцом упирается в упругий элемент, закрепленный в корпусе. На упругом элементе зафиксированы тензометрические датчики. Плунжер целиком размещен в направляющей конусообразной крышке и установлен в последней посредством втулки и эластичной защитной вставки. Плунжер не контактирует с почвой, а наконечник расположен за пределами корпуса устройства и контактирует с почвой только своей рабочей поверхностью. Технический результат: повышение достоверности измерения, обеспечение возможности дифференциального измерения твердости почвы, то есть измерения в определенном слое, а также снижение тягового усилия, необходимого для перемещения устройства в процессе измерения. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Способ определения остаточного напряжения с применением инструментального индентирования, носитель информации с соответствующей компьютерной программой и устройство для инструментального индентирования, предназначенное для реализации инструментального индентирования с использованием носителя информации // 2611078

Изобретение относится к области определения остаточного напряжения путем инструментального индентирования. Сущность: осуществляют приложение к образцу одноосного напряжения, двуосного напряжения и одинакового по всем направлениям напряжения, а затем выполнение инструментального индентирования с использованием индентора, вычисление наибольшей глубины вдавливания индентора в ненапряженном состоянии образца путем подстановки в формулу для вычисления максимальной глубины вдавливания индентора в ненапряженном состоянии фактической глубины контакта в ненапряженном состоянии, полученной из фактической глубины контакта индентора, и максимальной глубины вдавливания индентора и результирующей глубины отпечатка индентора при приложении максимального вдавливающего усилия L0, найденных из зависимости глубины вдавливания индентора от вдавливающего усилия, полученной путем инструментального индентирования, получение кривой зависимости глубины вдавливания индентора от вдавливающего усилия в ненапряженном состоянии путем подстановки вычисленной указанным образом максимальной глубины вдавливания индентора в ненапряженном состоянии образца в формулу, связывающую глубину вдавливания индентора и вдавливающее усилие, и вычисления разности ΔL усилий между усилием L1, соответствующим максимальной глубине вдавливания индентора на кривой зависимости глубины вдавливания индентора от вдавливающего усилия в ненапряженном состоянии, и максимальным вдавливающим усилием L0, и вычисление остаточного напряжения в образце путем подстановки вычисленной разности ΔL усилий в формулу для вычисления остаточного напряжения. Технический результат: возможность определять остаточное напряжение в образце даже при отсутствии состояния без остаточного напряжения. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 27 ил.

Способ определения модуля упругости юнга материала микро- и наночастиц // 2611698

Изобретение относится к способам определения механических свойств материалов путем вдавливания индентора в поверхность образца с заданной нагрузкой, а именно к способам определения статического модуля упругости Юнга (ниже модуль упругости). Сущность: совместно используют экспериментальное вдавливание индентора и компьютерное моделирование вдавливания индентора методом конечных элементов, определяют модуль упругости частицы, соответствующей нулевой разнице расчетной и экспериментальной глубин проникновения индентора, определяют модуль упругости этой же частицы по методике Оливера-Фарра. Сравнивают значение модуля упругости, полученное расчетом по методике Оливера-Фарра со значением, полученным из этапа численных исследований, определяют среднее арифметическое значение модуля упругости исследуемой частицы. Технический результат: возможность определения модуля упругости материала микро- и наночастиц произвольной формы. 2 ил.

Установка для исследования твердости образца из токсичного материала // 2612197

Изобретение относится к механическим испытаниям, а конкретно к исследованиям твердости образцов из токсичных материалов. Установка содержит вакуумируемую рабочую камеру с захватами, один из которых активный, а второй пассивный захват-тензодинамометр, механизм нагружения, регистрирующую аппаратуру, установленную на захвате-тензодинамометре К активному захвату прикреплена верхняя рамка, а к пассивному захвату прикреплена нижняя рамка, которые соединены друг с другом таким образом, что растягивающее усилие захватов инвертируется в сжимающее усилие рамок, в месте соприкосновения рамок помещен испытуемый образец и индентор, который вдавливается в образец с определенным усилием, фиксируемым захватом-тензодинамометром. Технический результат: возможность исследований твердости (в частности по Бринеллю) образцов из токсичных материалов. 1 ил.