close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY11103

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2008.10.30
(12)
(51) МПК (2006)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
G 01N 3/00
G 01N 13/10
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОДУЛЯ УПРУГОСТИ ПОКРЫТИЯ
МЕТАЛЛИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА
(21) Номер заявки: a 20060568
(22) 2006.06.07
(43) 2008.02.28
(71) Заявители: Государственное научное
учреждение "Институт порошковой
металлургии"; Государственное научное учреждение "Институт теплои массообмена имени А.В.Лыкова
Национальной академии наук Беларуси" (BY)
(72) Авторы: Кузнецова Татьяна Анатольевна; Андреев Михаил Анатольевич;
Маркова Людмила Владимировна;
Чижик Сергей Антонович (BY)
BY 11103 C1 2008.10.30
BY (11) 11103
(13) C1
(19)
(73) Патентообладатели: Государственное
научное учреждение "Институт порошковой металлургии"; Государственное
научное учреждение "Институт теплои массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси"
(BY)
(56) SU 1420453 А1, 1988.
SU 1649244 А1, 1991.
SU 1434318 А1, 1988.
SU 1490642 А1, 1989.
US 2005/0103120 А1.
US 5193383 А, 1993.
(57)
Способ определения модуля упругости покрытия металлического материала, включающий внедрение в поверхность покрытия индентора под нагрузкой и определение глубины отпечатка, отличающийся тем, что используют индентор Виккерса, прямыми
измерениями методом атомно-силовой микроскопии определяют глубину восстановленного отпечатка hв, по диаметру отпечатка d рассчитывают глубину внедрения индентора h,
равную 0,14d, определяют величину упругого восстановления отпечатка hуп как разность
между h и hв и определяют модуль упругости покрытия из выражения:
E=
0,91
h 2уп
0,227 ⋅ P
,
− 0,001
где Р - нагрузка на индентор, Н.
Изобретение относится к области определения физико-механических характеристик
материалов, в частности к микромеханическим испытаниям материалов с покрытиями и
может быть использовано для определения модуля упругости материала, а именно модуля
упругости тонких покрытий.
Известен традиционный способ определения модуля упругости при разрушающих испытаний на растяжение в разрывной машине с построением диаграммы растяжения в координатах "напряжение - относительное удлинение" [1]. Модуль упругости определяют по
тангенсу угла наклона линейного участка. Метод не подходит для определения модуля
упругости тонких покрытий.
BY 11103 C1 2008.10.30
Известен способ [2] определения модуля упругости покрытий непрерывным вдавливанием индентора. Сущность метода заключается в регистрации перемещения алмазного
индентора как при росте нагрузки, так и при ее снижении. В результате получают диаграмму нагружения индентора. Модуль упругости находят по углу наклона ветви разгружения. Недостатком метода является непрямое определение глубины отпечатка. За глубину
внедрения индентора принимается величина его перемещения. При неточной установке
образца относительно индентора возникает ошибка в определении глубины внедрения и
соответственно модуля упругости. Кроме того, на реальный процесс разгружения отпечатка влияют упругие деформации измерительного прибора, что также вносит ошибку в
определение глубины внедрения.
Более высокую чувствительность измерения перемещения индентора имеет метод [3],
сущность которого близка к способу [2]. Недостатком способа является непрямой метод
измерения глубины отпечатка. Прибор измеряет не глубину отпечатка, а перемещение
вершины индентора, на который влияют упругий прогиб силовой рамы и тепловое расширение стержня, в котором закреплен индентор. Высокая чувствительность прибора приводит к тому, что различие в температуре образца и индентора на несколько десятых долей
градуса может существенно исказить результаты испытаний. Чтобы уменьшить различие
в температуре образца и индентора, образец помещается в прибор на 12 часов до начала
испытаний. Основным недостатком метода наноиндентирования является очень высокая
(250 тыс. долл.) стоимость прибора, что делает его недоступным исследователям.
Наиболее близким по назначению является способ определения модуля упругости и
коэффициента Пуассона пленочного материала [4]. Способ заключается во внедрении в
образец пленки цилиндрического индентора и измерении глубины его внедрения, по которой с учетом нагрузки и радиуса индентора судят о модуле упругости. Недостатком
способа является условие внедрения индентора в пленочный материал без его сцепления с
основанием, невыполнимое для металлических покрытий, особенно тонких.
Техническая задача, которую решает предлагаемое изобретение, заключается в возможности определения модуля упругости тонких покрытий с прямым определением
глубины восстановленного отпечатка и без использования специализированного дорогостоящего оборудования.
Поставленная задача достигается тем, что в поверхность покрытия вдавливают индентор
Виккерс под нагрузкой. Прямыми измерениями методом атомно-силовой микроскопии
(АСМ) определяют глубину восстановленного отпечатка hв. По формуле h = 0,14·d [5], где
d - диаметр отпечатка, находят глубину внедрения индентора. Величину упругого восстановления отпечатка hуп получают как разность между h и hв. Так как процесс разгружения
индентора является упругим, возможно оценить модуль упругости образца Е, используя
экспериментально определенную глубину упругого восстановления отпечатка hуп.
Определение модуля упругости основано на решении контактной задачи Герца об упругом вдавливании шара в полупространство. Для жесткой четырехгранной пирамиды
(алмазный индентор Виккерс), внедряющейся в упругую поверхность образца, решение
контактной задачи приобретает вид:
1
2
1
 π
 π4 1
(1)
 ⋅   ⋅
h уп = P ⋅ 
,
θ
2
E
4
tg


 п
где hyn - контактное сближение в центре вдавливания или глубина упругого вдавливания,
мкм;
P - нагрузка на индентор, Н;
Еп - приведенный модуль упругости - общий модуль системы "индентор-образец";
θ - половина угла при вершине индентора;
2
BY 11103 C1 2008.10.30
Приведенный модуль упругости Еп задается известным уравнением:
1 1 − ν 2 1 − ν и2
=
+
,
(2)
Еп
Е
Еи
где Е и ν - модуль упругости и коэффициент Пуассона образца;
Еи и νи - модуль упругости и коэффициент Пуассона индентора.
Для алмаза принимаем [6] Eи = 950 ГПа, и νи = 0,22. Коэффициент Пуассона образца ν
принимаем равным 0,3.
Отсюда
π
π
1
1
0,227 ⋅ P
Eп = ⋅ P ⋅
⋅ 2
⋅ 2 =
, (3)
2
4 tg 68° h уп
h 2уп
E=
E=
E=
1− ν2
1 1 − ν и2
−
Eп
Eи
0,91
1
− 0,001
Eп
,
,
0,91
h 2уп
(4)
− 0,001
(5)
.
(6)
0,227 ⋅ P
Техническим результатом заявленного способа является возможность определять модуль Юнга тонких покрытий без дорогостоящего оборудования.
Существенным отличием предлагаемого способа является то, что величина малых
пластических деформаций покрытия определяется методом прямых измерений методом
атомно-силовой микроскопии с разрешением по вертикали 0,2 нм, а модуль упругости определяется по формуле
0,91
E=
.
2
h уп
− 0,001
0,227 ⋅ P
Осуществление способа поясняется примерами.
1. В полированную поверхность стали Х18Н10Т на стандартном микротвердометре
"Micromet II" фирмы "Buehler Met" при нагрузке 0,5 Н наносили отпечаток индентором
Виккерс. Топографию поверхности покрытия с отпечатком получали с применением наноизмерительного комплекса (атомно-силового микроскопа) НТ-206 (ОДО "Микротестмашины", Беларусь). Диаметр отпечатка составил 23,3 мкм, глубина восстановленного
отпечатка 2,15 мкм. Модуль Юнга стали Х18Н10Т, рассчитанный по формулам (10) и (12),
составил 200 Гпа, что совпадает со справочными данными и демонстрирует эффективность метода.
2. На подложку из стали Х18Н10Т наносили покрытие, сформированное по комбинированной технологии сочетанием вакуумных методов электродугового испарения (или
КИБ) и азотированием в азотно-водородной плазме пульсирующего тока. Первоначально
на полированную подложку наносили одномикронный подслой сплава ZrHf методом
электродугового испарения. Далее его азотировали. Заключительный трехмикронный
слой ZrHfN наносили методом электродугового испарения в вакууме.
3
BY 11103 C1 2008.10.30
На поверхность образца с покрытием наносили отпечаток при нагрузке 1 Н. Глубину
восстановленного отпечатка измеряли методом АСМ. Диаметр отпечатка составил 16,3 мкм,
глубина восстановленного отпечатка 1,38 мкм. Модуль Юнга комбинированного покрытия, сформированного на основе ZrHf, был определен равным 350 Гпа.
Данное изобретение позволяет определять модуль Юнга металлических метариалов и,
в частности, тонких покрытий без применения дорогостоящего оборудования.
Источники информации:
1. ГОСТ 1497-84. Металлы: Методы испытания на растяжение.
2. А.с.1111065А, 1984.
3. Fischer-Cripps А.С. Nanoindentation, 2nd Ed. - New York, Springer-Verlag, 2004. 264 p.
4. SU1420453A1, 1988.
5. Григорович В. К. Твердость и микротвсрдость металлов. - М.: Наука, 1976. - 230 с.
6. Булычев С. И., Алехин С. И. Испытание материалов непрерывным вдавливанием
индентора. - М.: Машиностроение, 1990. - 224 с.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
4
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
84 Кб
Теги
by11103, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа