ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ РІЗНИХ ДЖЕРЕЛОВ НА СУМАРНУ ПОХІШНІСТЬ ВИМІРЮВАННЯ ТВЕРДОСТІ МЕТОДОМ

різних

Ціна:

Автори роботи:

Науковий журнал:

Рік виходу:

Текст наукової статті на тему «ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ РІЗНИХ ДЖЕРЕЛОВ НА СУМАРНУ ПОХІДНІСТЬ ВИМІРЮВАННЯ ТВЕРДОСТІ МЕТОДОМ ВИМІРЮВАЛЬНОГО НАНОІНДЕНТУВАННЯ»

Запропонований метод дозволяє суттєво розширити сферу застосування пневмометричних методів вимірювання при вирішенні широкого спектра завдань внутрішньої та зовнішньої газодинаміки, пов'язаних з дослідженнями газових потоків з ударними хвилями.

Литература

1. Петунін А. Н. Методи та техніка вимірювання газового потоку (приймачі тиску та швидкісного напору). М: Машинобудування, 1972.

2. Carlson H. W., Morris O. A. Wind tunnel sonic boom testings // J. Aircraft. 1967. V. 4. N 3. P. 245-249.

3. Morris O. A., Miller D. S. Sonic boom wind tunnel testing technigues at high mach numbere // J. Aircraft. 1972. V. 9. N 9. P. 664-667.

4. Чиркашенко В. Ф., Юдінцев Ю. Н. Розвиток методики вимірювання параметрів звукового удару в надзвукових аеродинамічних трубах. Новосибірськ: Вид-во ін-та теор. та прикл. механіки ЗІ АН СРСР, 1983.

5. Абрамович Г. Н. Прикладна газова динаміка. М.: Наука, 1969.

6. Bannic W. J., Nebbeling C. Визначення позиціонування шокової води з пілотом experiments // AIAA J. 1969. V. 7. N 4. P. 796-797.

7. Таганов Г. І. Ентропійні ефекти в гіперзвукових течіях газу // Тез. доп. II Всесоюз. з'їзду з теор. та прикл. механіки, 1964. C. 206.

8. Тетерин М. П. Дослідження течії газу в області падіння стрибка ущільнення на циліндр, обтічний потоком великої надзвукової швидкості // Ізв. АН СРСР Механіка рідини та газу. 1967. № 3. C. 92-97.

9. Yoodyer M. J. A New Stagnationpressure probe having a high pressure recovery в supersonic flow // Instrum. аеропростір промисловості: Proc. 18th Int. ISA Symp. Miami (Fl., USA), 1972. V. 18.

10. Дейч М. E. Технічна газодинаміка. М.: Держенерго-видав, 1961.

11. Краснов Н. Ф. та ін. Аеродинаміка ракет. М: Вища школа, 1968.

12. А. с. 01074221 РФ. Спосіб вимірювання параметрів надзвукового потоку / В. Ф. Чиркашенко, Є. Н. Затолока, Ю. Н. Юдінцев // Винаходи. Корисні моделі. 2002. № 18.

13. Бабенко К. І. та ін. Пространственное обтікання гладких тіл ідеальним газом. М: Наука, 1964.

Дослідження впливу різних джерел на сумарну похибку вимірювання твердості методом вимірювального наноіндентування

Г. С. ЗОЛОТНИКОВА, В. В. СОЛОВ'ЄВ, К. В. ГОГОЛИНСЬКИЙ, А. С. УСЕЇНОВ

Технологічний інститут надтвердих та нових вуглецевих матеріалів, Москва,

Україна, e-mail: [email protected], [email protected]

Проаналізовано джерела похибки вимірювання твердості методом вимірювального іденти-рування в нанометровому діапазоні глибин впровадження. Виділено основні складові похибки та запропоновано способи обліку кожної з них. Наведено висновки про вплив окремих факторів на точність результату вимірювання та наведено результати експерименту.

Ключові слова: механічні властивості, твердість, наноіндентування.

Sources of error of hardness measurement by instrumented indentation method in nanometer range of penetration depths analyzed. Основні компоненти дії дії, що використовуються, є ізолованими і способами ведення облікового запису для всіх компонентів, які є. Склади на influence of separate factors on overall hardness measurement accuracy and experiment results are presentd.

Key words:механічні властивості, hardness, instrumented indentation, nanoindentation.

Поява великої кількості наноструктурованих матеріалів, тонких плівок та покриттів призвела до створення нової бази приладів для оцінки та контролю різних фізико-механічних властивостей. Зокрема, для вимірювань механічних параметрів нанооб'єктів широко використовують нанотвердоміри та скануючі зондові мікроскопи (СЗМ) з функцією вимірювання навантаження, що прикладається. Такі прилади мають різні типи конструкцій, але їхня робота заснована на реалізації методу вимірювального індентування [1], який також називають наноіндентуванням. Цей спосіб вимірювання твердості і модуля упру-

гості регламентований міжнародним стандартом [2], в якому докладно описані вимоги до процедури вимірювань, а також наведено низку джерел їхньої невизначеності. Однак, згаданий стандарт не розглядає ступінь впливу кожного параметра на точність результату. У різних дослідженнях, проведених у цій галузі [3 — 5], обговорюються способи точнішого чисельного визначення тієї чи іншої джерела похибки, проте пропонується порівняльна оцінка впливу кожного їх. Тому аналіз вкладу різних складових похибки виміру твердості методом вимірювального індентування є дуже актуальним завданням.

У цьому роботі розглянуті методи обліку чинників, які впливають похибка вимірювань механічних властивостей шляхом вимірювального індентування скануючим нанотвердоміром «НаноСкан-3Д». Оцінено внесок у сумарну похибку складових, зумовлених факторами, що впливають.

Метод наноіндентування заснований на вдавлюванні твердого наконечника відомої форми (індентора) поверхню матеріалу. При досягненні заданого навантаження індентор відводиться у зворотномунапрямі. У процесі вимірювання записуються значення навантаження і відповідного переміщення індентора в фіксовані моменти часу. Графік отриманої залежності називають кривою навантаження - використання [1]. Типовий вид такої залежності наведено на рис. 1.

В рамках даного методу твердість досліджуваного зразка розраховують як середній контактний тиск під індентором

де Ртах - навантаження в момент максимального впровадження індентора у матеріал; Ас – площа проекції невідновленого відбитка, яка залежить від геометрії та контактної глибини застосування індентора.

Контактну жорсткість знаходять за формулою

Тут Ен - наведений модуль пружності (Юнга),

1/Ен = (1 -V2)/Е + (1 -V2 )/Еі, (3)

де Е, Еї та V, V. — модулі Юнга та коефіцієнти Пуассона вимірюваного матеріалу та індентора, відповідно.

Контактну глибину індентування, при якій інден-тор контактує з поверхнею досліджуваного матеріалу, визначають як

hc = ^ах - е^тах - Ч (4)

де е - коефіцієнт, що залежить від форми індентора (для піраміди типу Берковича він дорівнює 0,75); hmax - максимальна глибина застосування індентора; - Глибина, що відповідає перетину дотичної до кривої розвантаження з віссю глибин впровадження і представляє пружний прогин поверхні при індентуванні.

Джерела похибки методу. Аналіз (1) - (4) показав, що похибка вимірювання твердості методом вимірювального індентування залежить від прикладеного навантаження Р, визначення функції форми індентора А^), точності знаходження контактної глибини hc. Остання, своєю чергою, визначається похибками переміщення індентора, значення податливості системи навантаження, апроксимації під час обробки кривих навантаження. Крім цього, похибка виміруобумовлена ​​впливом зовнішніх факторів (таких, як зміна температури та вологості, вібрація та інші шуми), визначенням початкової точки контакту, параметрами рельєфу досліджуваної поверхні

[2], утворенням навалів та пружного прогину поверхні за контуром відбитка та ін [6]. Перелічені джерела похибки характерні для будь-якого засобу вимірювань, що реалізує метод наноін-дентування. У той самий час внесок кожного джерела у сумарну похибку виміру вивчений недостатньо. Розв'язання цієї задачі дозволить суттєво підвищити точність вимірювання твердості в нанометровому діапазоні.

Приладова основа. Для проведення експерименту з оцінки основних складових похибки вимірювання механічних властивостей методом вимірювального індентування використовували нанотвердомір «НаноСкан-3Д» (ТІСНУМ, Україна) [6 — 11]. Даний прилад - універсальний засіб вимірювання, що дозволяє комплексно дослідити геометричні та механічні параметри поверхні за допомогою одного вимірювального перетворювача (датчика) в рамках єдиної вимірювальної процедури [7] зі збереженням усіх умов проведення експерименту (рівня вібрацій, акустичних та інших шумів, температури навколишнього повітря, вологості).

Механічна реалізація декартової системи координат СЗМ "НаноСкан-3Д" здійснюється трикоординатним п'єзокерамічним нанопозиціонером (п'єзосканером). Для виключення впливу складових похибки, пов'язаних з використанням п'єзокерамічних актюаторів та лінеаризації переміщення, застосовується схема зворотного зв'язку на основі ємнісних датчиків переміщень [12].

Навантаження, що прикладається, контролюється шляхом вимірювання вигину консолі датчика — кантилевера, для чого використовується оптичний датчик, утворений діодною оп-топарою, світловий потікякої перекривається однією з гілок камертону [13]. Жорсткість при згинанні становить близько 20 кН/м. Знаючи жорсткість консолі, визначаємо навантаження, додане до індентора:

де до - жорсткість зонда при згинанні; х - переміщення індентора в результаті відгин кантилевера, що вимірюється оптичним датчиком.

Конструктивні особливості СЗМ «НаноСкан-3Д» припускають особливий підхід до реалізації методів вимірювань механічних властивостей на приладі, що розглядається. Насамперед, це стосується вибору методів та засобів юстування та визначення метрологічних параметрів наступних функціональних елементів вимірювальної системи:

трикоординатного п'єзосканера (переміщення зразка);

камертонного датчика - кантилевера (додаток навантаження);

оптичного датчика (контроль навантаження, що прикладається);

алмазного індентора (функція форми визначення контактної площі при індентуванні).

Сумарна похибка складається з приладових похибок, обумовлених метрологічними характеристиками засобів вимірювань, що використовуються і визначаються в ході

Мал. 1. Типовий вид кривої навантаження - використання

калібрування, а також методичних складових, що вимагають обчислення експериментально-розрахунковим шляхом. До приладових похибок відносяться похибки вимірювань навантаження, що прикладається, і переміщення індентора, а також похибка вимірювання лінійних розмірів за допомогою СЗМ. Далі розглянемо похибки знаходження податливості вимірювальної системи, функції форми індентора, контактної глибини, площі відбитка та результуючого знання.

Для подальшого читання статті необхідно придбати повний текст. Статті надсилаються у форматіPDFна вказану при оплаті пошту. Термін доставки становитьменше 10 хвилин. Вартість однієїстатті -150 рублів.

Подібні наукові роботи на тему «Метрологія»

ГОГОЛІНСЬКИЙ К.В., РЕШЕТОВ В.М., УСЕЇНОВ О.С. - 2011 р.

АСЛАНЯН А.Е., АСЛАНЯН Е.Г., ГАВРИЛКІН С.М., ЩИПУНОВ О.М. - 2015 р.

ЧИРКАШЕНКО В.Ф. - 2013 р.

АЮПОВ Б.М., КОСИНОВА М.Л., МАКСИМОВСЬКИЙ Є.А., РУМ'ЯНЦІВ Ю.М., СМИРНОВ А.П., ШАЯПОВ В.Р. - 2011 р.