Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2020, № 8, стр. 102-107

ВВЕДЕНИЕ

Производственная деятельность ставит перед материаловедами сложные задачи, требуя создания конструкционных материалов с уникальными свойствами [1]. Разработка технологий, направленных на улучшение функциональных характеристик механизмов и конструкций, тесно связана с механическими свойствами используемых материалов. Например, если необходимо уменьшить массу какого-либо конструктивного элемента, сохраняя жесткость изделия, необходим материал с высокой прочностью и большим модулем Юнга. Для большинства конструкционных материалов на основе различных сплавов существует однозначная взаимосвязь между твердостью и прочностью материала [2, 3]. Благодаря этой взаимосвязи очень часто разрушающие испытания на прочность можно заменить неразрушающими испытаниями на твердость.

Развитие материаловедения привело к появлению твердых, прочных и легких материалов. Однако свойства таких материалов часто сильно зависят от технологии их обработки и могут заметно варьироваться от партии к партии [4, 5]. Чтобы отличить хороший материал от плохого, приходится исследовать его механические свойства. Самый простой и надежный способ – измерение свойств с помощью специального оборудования в лабораторных условиях [6]. Однако это не всегда удобно в условиях промышленного производства и просто неосуществимо при работе с оборудованием и механизмами, находящимися в непрерывной эксплуатации. Яркими примерами такого рода изделий являются элементы конструкций АЭС, ТЭС, ГЭС, корабли, самолеты, трубопроводы и мосты.

Механические свойства металлов и сплавов, а также других твердых материалов можно исследовать различными методами, например, методом микроиндентирования [7, 8]. Он основан на вдавливании наконечника известной формы в материал и дальнейшем определении размеров остаточного отпечатка. Такой процесс требует применения специальных устройств, поскольку невозможно вручную приложить нагрузку к наконечнику с требуемой точностью [9].

Первые твердомеры имели только наконечник с актюатором [10]. Значения твердости рассчитывали путем деления приложенной нагрузки на площадь отпечатка, определяемой по оптическому изображению. Современные модели твердомеров оснащены не только микроскопами, но и атомно-силовыми микроскопами для измерения геометрии гораздо меньших отпечатков [11]. Метод, разработанный Оливером и Фарром, исключил необходимость получения изображения отпечатка. Вместо этого было предложено анализировать кривую нагрузки–разгружения [12].

Перед современными разработчиками испытательного оборудования, предназначенного для работы на производствах, стоят задачи ускорения и упрощения процедуры измерения, а также повышения надежности и точности измерений. Одним из таких перспективных методов является применение прозрачного индентора [13, 14]. С его помощью становится возможным наблюдать образование различных фаз материала под индентором непосредственно в ходе проведения испытаний [15]. Глобальная цель разработчиков – создание инструмента, способного в автоматическом режиме измерять широкий круг материалов с различными значениями твердости и модуля Юнга. Перефразируя известный принцип ракетчиков “выстрелил и забыл”, можно сказать, что нужен прибор, работающий по принципу “поставил и получил”.

Помимо приборов, предназначенных для измерения свойств материалов в условиях лабораторий, активно развивается оборудование для испытаний в реальных, полевых условиях. В [16] дана классификация различных типов портативных твердомеров. Широко распространены динамические твердомеры, работающие по принципу отскока, а также ультразвуковые или импедансные твердомеры, которые измеряют контактное акустическое сопротивление материала [17]. Полученные с помощью этих устройства данные зависят от массы и жесткости измерительных частей, их пространственного расположения и других факторов, как отмечено в [18]. Измерения с помощью устройств этих типов косвенные: используется соотношение различных механических и физических свойств с твердостью, полученной прямыми методами. Ключевым фактором, влияющим на интерпретацию данных импедансного твердомера, является значение модуля Юнга тестируемого материала. Предполагается, что известен модуль Юнга материала с высокой точностью, его значение берут при обработке первичных данных. Таким образом, приборы не могут быть использованы для измерения твердости материалов с неизвестным модулем Юнга. Данный недостаток отсутствует у приборов, позволяющих измерять твердость и модуль упругости методом инструментального индентирования [19].

Ограничением для применения ультразвуковых твердомеров является невозможность определения твердости неметаллов из-за анизотропии скорости звука в таких материалах [20]. Описываемое в настоящей работе оборудование, основанное на принципах инструментально контролируемого вдавливания, применимо для гораздо более широкого класса материалов.

МЕТОДИКА

Схема устройства

В настоящей работе рассмотрена конструкция портативного твердомера, получившего название iPoRTH, работающего на принципах инструментального индентирования. Его схема приведена на рис. 1. Основные компоненты устройства включают механизм, прикладывающий нагрузку, датчик перемещения и индентор. Элементом приложения силы является электромагнитный актюатор. Датчик перемещения представляет собой емкостной датчик, установленный на рабочем штоке. Прикладываемое к образцу усилие достигает 10 Н, рабочее перемещение индентора составляет 150 мкм. Держатель индентора изготовлен из латуни, рабочий шток – из углепластика, индентор – алмазный наконечник типа пирамиды Берковича с диаметром основания 800 мкм и радиусом острия 100 нм.

Рис. 1.

Схема портативного твердомера с насадками для измерения массивных (а) и тонких (б) образцов: 1 – корпус; 2 – актюатор; 3 – мембраны; 4 – неподвижные емкостные пластины; 5 – подвижная емкостная пластина; 6 – шток; 7 – индентор; 8 – пластина; 9 – винт-ручка.

Конструкция портативного твердомера подходит для измерения как массивных, так и тонких образцов благодаря двум различным насадкам (рис. 2). У насадок есть три стальные закаленные шарообразные опоры, к которым прижимается тестируемая поверхность изделия. Измерение небольших и плоских образцов (например, ножей или концевых мер) осуществляется в режиме, когда прижимная пластина рабочей насадки приводит их в плотный контакт с шаровидными опорами.

Рис. 2.

Внешний вид снизу портативного твердомера с фиксированной нижней частью, прдназначенной для измерения образцов: а – массивных; б – малогабаритных.

Базовые принципы метода инструментального индентирования согласно ГОСТ Р 8.748-2011 [23]

Основными измеряемыми параметрами на кривой нагрузка–разгрузка являются твердость Н и наклон кривой разгрузки S:

(1)

$H = \frac{{{{P}_{{{\text{max}}}}}}}{{{{A}_{{\text{c}}}}}},$

(2)

$S = 2\sqrt {\frac{{{{A}_{{\text{c}}}}}}{\pi }} E.$

Оба эти параметра рассчитывают исходя из данных предварительной калибровки формы алмазного индентора, когда снимают зависимость контакной площади от глубины погружения индентора в тестируемый материал ${{A}_{{\text{c}}}}\left( h \right).$ Это стандартная процедура, и она основана на серии испытаний образца с известными свойствами различной нагрузкой. Кривая нагрузки–разгружения, полученная на образце плавленого кварца с максимальной нагрузкой 1 Н, показана на рис. 3. Площадь контактируещего с материалом участка индентора для идеальной пирамиды Берковича зависит квадратично от глубины проникновения индентора:

(3)

${{A}_{{\text{c}}}} = 24.5h_{{\text{c}}}^{2},$

(4)

${{h}_{{\text{c}}}} = {{h}_{{{\text{max}}}}} - 0.75\frac{{{{P}_{{{\text{max}}}}}}}{S},$

где ${{h}_{{\text{c}}}}$ и ${{h}_{{{\text{max}}}}}$ – контактная и максимальная глубины индентирования, вычисляемые в соответствии с [19]. Все вычисления выполняются автоматически после измерения с использованием встроенной электроники.

Рис. 3.

Кривая нагрузки (1) и разгружения (2), полученная для плавленого кварца.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Были исследованы образцы различных типов: плавленый кварц, поликарбонат и сплавы (сталь и алюминий). На рис. 4 представлены полученные в экспериментах кривые нагрузки–разгружения. В табл. 1 приведены значения твердости, полученные с помощью разработанного портативного твердомера и лабораторного прибора (NanoScan-4D, созданного ФГБНУ ТИСНУМ).

Рис. 4.

Кривые нагрузки (сплошные линии) и разгрузки (штриховые линии), полученные для плавленого кварца (1), стали 40Х13 (2), алюминия (3), поликарбоната (4), ДСП с покрытием (5).

Значения модуля упругости конструкционных материалов обычно известны. Однако в случае использования разработанного прибора эта информация не является необходимой для расчета твердости. Модуль Юнга измеряют методом инструментального индентирования с существенно меньшей точностью, чем твердость, и часто эта информация носит служебный характер, особенно в случае металлов и их сплавов, у которых отношение H/E много меньше единицы. Полученные данные о модуле Юнга хорошо согласуются с табличными характеристиками соответствующих материалов.

Как следует из полученных данных, прибор iPoRTH успешно демонстрирует возможность измерения твердости изделий без априорной информации о модуле Юнга материла. В представленных результатах модуль Юнга различных образцов отличался почти на два порядка, как и измеренные значения твердости. Метод инструментального индентирования, описанный в [19, 23], применим также и в случае циклического укола с частичной разгрузкой индентора после каждого нагружения: описанные в указанных стандартах зависимости могут быть применены для каждого цикла, что, соответственно, позволяет получить зависимость измеряемых значений твердости и модуля упругости от глубины. Таким образом, появляется возможность контроля эффектов, связанных с поверхностным упрочнением и умягчением материалов ходе их технологической обработки. Доступный уровень нагружения 10 Н позволяет осуществлять контроль подобных эффектов для глубин от 1.5 до 15 мкм в большинстве конструкционных сталей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленный в работе портативный твердомер iPoRTH, работающий по принципу статического вдавливания индентора в полном соответствии с методом инструментального индентирования (ГОСТ Р 8.748-2011), позволяет получать значения твердости прямым методом без использования оптических средств наблюдения. Проведенные исследования продемонстрировали возможность использования данного прибора для диагностики механических свойств различных конструкционных материалов, используемых в промышленности. Измеренные значения твердости совпадают со значениями, полученными на лабораторном твердомере с учетом свойственной данному оборудованию погрешности. Величины твердости и модуля упругости были вычислены непосредственно из зависимостей нагрузка–углубление: измерение твердости методом инструментального индентирования в отличие от ультразвуковых методов не требует априорной информации о модуле упругости. Соответствующие значения модуля упругости исследованных материалов близки к характеристикам, указанным в общедоступных источниках.

Следующим этапом разработки портативного твердомера является встраивание модуля Bluetooth для отправки данных на портативный компьютер или телефон для сохранения всей необходимой информации и сырых данных, включая координаты места, где проводилось измерение. Это полезно для диагностики трубопроводов, железнодорожного полотна и сложных конструкций. Полученные результаты подтверждают возможность объективного контроля такой важной механической характеристики, как твердость материала, в промышленном производстве и в полевых условиях с помощью портативного прибора массой не более 1 кг.